De wet van Kirchhoff over thermische straling is na 165 jaar gebroken

Energie

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 26-06-2025

a) Schematische weergave van de niet-reciproke emissie en absorptie. (b) Scannende elektronenmicroscoopafbeelding van de meerlaagse structuur. (c) Schematische weergave van het experiment. (d, e) Emissiviteitsgrafieken. (f, g) Werkelijke emissiviteits- en polarisatiespectra. [Afbeelding: Zhenong Zhang et al. - 10.48550/arXiv.2501.12947]

Het overtreden van de wet van Kirchhoff

Een "wet" omtrent thermische straling die al 165 jaar geldt, is onlangs ontkracht (eerder was de wet enigszins omgebogen). Wetenschappers vieren dit, omdat de ontdekking de weg vrijmaakt voor efficiëntere technologieën voor energieopwekking, warmteoverdracht en infrarooddetectie.

De zogenoemde wet van Kirchhoff over thermische straling is een concept dat in 1860 werd ontwikkeld door de Duitse natuurkundige Gustav Kirchhoff [1824-1887], die stelt dat de absorptie-efficiëntie en de emissiviteit van een materiaal gelijk zijn bij elke golflengte en invalshoek.

Met andere woorden, het vermogen van een materiaal om elektromagnetische straling te absorberen – bijvoorbeeld een energiegolf in de vorm van zonlicht of röntgenstraling – bij een bepaalde golflengte en hoek moet gelijk zijn aan het vermogen om straling uit te zenden bij dezelfde golflengte en hoek. Dit staat bekend als de reciproke relatie.

De wet van Kirchhoff begon twee jaar geleden te mislukken toen een team van het California Institute of Technology een materiaal creëerde dat zich er niet aan hield.

Maar nu hebben Zhenong Zhang en collega's van de Pennsylvania State University een dramatische breuk in de wet aangetoond. Deze sterkere breuk betekent dat het nu mogelijk is om realistische mogelijkheden te realiseren die voorheen onhaalbaar waren.

Niet-wederkerigheid

De voorgaande demonstratie van niet-reciproke emissie en absorptie bereikt geen hoog contrast tussen emissiviteit en absorptie, en ook niet over een breed golflengtebereik. Dit zijn beide omstandigheden die nodig zijn voor praktische toepassingen op basis van niet-reciproke materialen.

"De mogelijkheid om de wet van Kirchhoff sterk te overtreden, biedt niet alleen een radicaal nieuwe manier om thermische straling te beheersen, maar kan ook energie- en sensortoepassingen fundamenteel verbeteren", aldus Zhang. "In het geval van reciproke zonnecellen voor het opwekken van zonne-energie bijvoorbeeld, moet de zonnecel optische energie terugzenden naar de zon, zoals vereist door de wet van Kirchhoff. Dit deel van de energie dat terugkeert naar de zon, gaat verloren."

"Als we echter niet-wederkerige emitters kunnen gebruiken, kunnen we de emissie in een andere richting sturen. Dan zouden we daar een extra zonnecel kunnen installeren om dat deel van de energie te absorberen, waardoor de algehele energieomzettingsefficiëntie toeneemt. Een dergelijke strategie is theoretisch voorgesteld om zonne-energie te kunnen oogsten binnen de grenzen van de thermodynamische efficiëntie", voegde de onderzoeker eraan toe.

Niet-reciprociteit wordt gemeten in dimensieloze parameters, wat betekent dat de grenzen van het systeem de resulterende meting – het verschil tussen wat daadwerkelijk werd geabsorbeerd en wat daadwerkelijk werd uitgezonden – niet beïnvloeden. In een echt reciprociteitssysteem zou het verwachte contrast tussen emissiviteit en absorptie nul zijn.

"In ons werk hebben we het sterkste contrast waargenomen bij 0,43, en er is ook aanzienlijk contrast in een breed golflengtebereik van 10 micrometer. De verkregen sterke niet-reciproke emissie wijst op een groot potentieel voor toepassingen", aldus professor Linxiao Zhu.

Praktische toepassingen

De niet-wederkerige emitter die het team bouwde, bestaat uit een heel dunne film die kan worden overgebracht op andere oppervlakken. Daarmee onderscheidt de emitter zich van eerdere experimenten en is bovendien de integratie van apparaten mogelijk.

Er zijn vijf lagen halfgeleidermaterialen (InGaAs), elk met een iets andere samenstelling. Het team gelooft echter dat er geen intrinsieke beperkingen zijn aan het gebruik van andere materialen: InGaAs- heterojuncties worden veel gebruikt in elektronische en fotonische apparaten.

"Ons materiaal is gegroeid met een totale dikte van ongeveer twee micrometer, dunner dan een mensenhaar", aldus teamlid Alireza Dehaghi. "In ons werk, mogelijk gemaakt door het gekozen materiaalsysteem, hebben we de microscopisch dunne film overgebracht op een ander substraat. Dit betekent dat het kan worden overgebracht op verschillende soorten apparaten om de efficiëntie te verhogen bij energieomzetting, warmteoverdracht en andere toepassingen."

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen