Закон Кирхгофа о тепловом излучении нарушен спустя 165 лет

Энергия

Редакционная группа сайта «Технологические инновации» - 26.06.2025

a) Схема невзаимного излучения и поглощения. (b) Изображение многослойной структуры, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. (c) Схема эксперимента. (d, e) Графики излучательной способности. (f, g) Реальные спектры излучательной способности и поляризации. [Изображение: Zhenong Zhang et al. - 10.48550/arXiv.2501.12947]

Нарушение закона Кирхгофа

«Закон» теплового излучения, который считался верным на протяжении 165 лет, только что был опровергнут (ранее его немного отклоняли), что радует ученых, поскольку это открытие закладывает основу для более эффективных технологий сбора энергии, передачи тепла и обнаружения инфракрасного излучения.

Так называемый закон теплового излучения Кирхгофа — это концепция, разработанная немецким физиком Густавом Кирхгофом [1824-1887] в 1860 году, которая гласит, что эффективность поглощения и излучательная способность материала одинаковы для каждой длины волны и угла падения.

Другими словами, способность материала поглощать электромагнитное излучение — например, волну энергии в форме солнечного света или рентгеновских лучей — при заданной длине волны и угле должна быть равна его способности испускать излучение при той же длине волны и угле. Это известно как обратное отношение.

Закон Кирхгофа начал нарушаться два года назад, когда группа ученых из Калифорнийского технологического института создала материал, который не ведет себя в соответствии с этим законом.

Но теперь Чжэнонг Чжан и его коллеги из Университета штата Пенсильвания продемонстрировали драматический прорыв в законе. Этот более сильный прорыв означает, что теперь возможно достичь реальных возможностей, которые ранее были неосуществимы.

Невзаимность

Предыдущая демонстрация невзаимного излучения и поглощения не обеспечивает высокого контраста между излучательной способностью и поглощательной способностью в широком диапазоне длин волн, а оба эти условия необходимы для практических приложений, основанных на невзаимных материалах.

«Возможность сильно нарушать закон Кирхгофа не только обеспечивает радикально новый способ управления тепловым излучением, но и может фундаментально улучшить энергетические и сенсорные приложения», — сказал Чжан. «В случае взаимных солнечных элементов для сбора солнечной энергии , например, солнечный элемент должен излучать оптическую энергию обратно на Солнце, как того требует закон Кирхгофа. Эта часть энергии, которая возвращается на Солнце, тратится впустую».

«Однако, если у нас могут быть невзаимные излучатели, мы можем направить излучение в другом направлении. Затем мы могли бы установить там еще один солнечный элемент, чтобы поглотить эту часть энергии, увеличив общую эффективность преобразования энергии. Такая стратегия была теоретически предложена, чтобы позволить собирать солнечную энергию в пределах термодинамической эффективности», — добавил исследователь.

Невзаимность измеряется в безразмерных параметрах, что означает, что границы системы не влияют на результирующее измерение — разницу между тем, что было фактически поглощено, и тем, что было фактически испущено. В истинно взаимной системе ожидаемый контраст между излучательной способностью и поглощательной способностью будет равен нулю.

«В нашей работе мы наблюдали самый сильный контраст, равный 0,43, а также наблюдается значительный контраст в широком диапазоне длин волн в 10 микрометров. Полученное сильное невзаимное излучение указывает на большой потенциал для приложений», — сказал профессор Линьсяо Чжу.

Практические применения

Созданный командой невзаимный излучатель состоит из очень тонкой пленки, которую можно переносить на другие поверхности, что отличает его от предыдущих экспериментов, а также позволяет интегрировать устройства.

Существует пять слоев полупроводниковых материалов (InGaAs), каждый из которых имеет немного отличающийся состав, но группа считает, что нет никаких внутренних ограничений для использования других материалов — гетеропереходы InGaAs широко используются в электронных и фотонных устройствах.

«Наш материал выращивается с общей толщиной около двух микрометров, тоньше человеческого волоса», — сказал член команды Алиреза Дехаги. «В нашей работе, благодаря выбранной нами системе материалов, мы перенесли микромасштабную тонкую пленку на другую подложку, что означает, что ее можно переносить на различные типы устройств для повышения эффективности преобразования энергии, теплопередачи и других применений».

Другие новости о:

Больше тем