Une équipe de recherche de Penn State a enfreint une loi de 165 ans de rayonnement thermique avec une résistance sans précédent, préparant le terrain pour la récolte d'énergie plus efficace, le transfert de chaleur et la détection infrarouge.
Leurs résultats, actuellement disponibles sur le arxiv Un serveur préparatoire, devrait être publié dans Lettres d'examen physique Le 23 juin. Leur article a également été sélectionné par le Journal pour figurer sur le site Web du Journal en tant que «suggestion des éditeurs».
Les scientifiques ont depuis longtemps observé que la capacité d'un matériau absorbe le rayonnement électromagnétique – une vague d'énergie sous forme de lumière du soleil et de rayons X, entre autres – à une longueur d'onde et un angle donné doit être égal à sa capacité à émettre à la même longueur d'onde et même angle. Ceci est connu comme une relation réciproque, que le physicien allemand Gustav Kirchhoff a décrit en 1860 comme la loi du rayonnement thermique de Kirchhoff.
Alors que d'autres ont enfreint cette loi pour la première fois il y a deux ans, les chercheurs de Penn State ont démontré une rupture spectaculaire. Cette rupture plus forte est nécessaire pour réaliser des possibilités réelles qui n'étaient pas auparavant réalisables, selon le co-premier auteur et candidat au doctorat de Penn State en génie mécanique Zhenong Zhang.
« La capacité de violer fortement la loi de Kirchhoff fournit non seulement une façon radicalement nouvelle de contrôler les rayonnements thermiques, mais peut également améliorer les applications fondamentalement de l'énergie et de la détection », a déclaré Zhang. « Dans le cas de cellules solaires réciproques pour la récolte de l'énergie solaire, par exemple, la cellule solaire doit émettre de l'énergie optique au soleil comme l'exige la loi de Kirchhoff. Cette partie de l'énergie qui remonte au soleil est gaspillée.
« Cependant, si nous pouvons avoir des émetteurs non réciproques, nous pouvons envoyer les émissions vers une direction différente. Ensuite, nous pourrions y placer une autre cellule solaire pour absorber cette partie de l'énergie, augmentant l'efficacité globale de conversion de puissance. Une telle stratégie a été théoriquement indiquée pour permettre la récolte de l'énergie solaire aux limites d'efficacité thermodynamique. »
Selon Linxiao Zhu, auteur correspondant et professeur adjoint de génie mécanique à Penn State, les scientifiques ont théorisé pendant environ une décennie que la loi de rayonnement thermique de Kirchhoff pourrait être brisée, bien qu'il ne soit pas jusqu'à récemment qu'un groupe observait directement une violation de la loi de Kirchhoff et a mesuré une différence dans le rayonnement thermique émis par un matériau chauffé et son absorption.
Cependant, selon ZHU, les démonstrations existantes d'émission et d'absorption non réciproques n'atteignent généralement pas un contraste élevé entre l'émissivité et l'absorptivité et sur une large bande de longueur d'onde, qui sont nécessaires pour les applications non réciproques.
« Auparavant, le contraste démontré expérimentalement entre l'émissivité et l'absorptivité est généralement relativement petit ou sur une petite bande de longueur d'onde », a déclaré Zhu. La non-réciprocité est mesurée dans les paramètres sans dimension, ce qui signifie que les limites du système n'ont pas d'impact sur la mesure résultante, qui est la différence de ce qui a été réellement absorbé et réellement émis.
Dans un système vraiment réciproque, le contraste attendu entre l'émissivité et l'absorptivité serait nul. « Dans nos travaux, nous avons observé le contraste le plus fort en tant que 0,43, et il y a également un contraste substantiel sur une large bande de longueur d'onde de 10 micromètres. Le forte émission non réciproque est obtenu pour un grand potentiel d'applications. »
Les mesures antérieures par d'autres équipes étaient plus petites et dans une bande passante plus étroite ¾ par exemple, 0,22 avec une bande passante d'environ un micromètre, 0,12 avec une bande passante de 3,5 micromètres et, au moment de ce travail, une mesure de 0,34. Zhu a déclaré que son équipe avait obtenu ces résultats grâce à leur conception d'émetteur.
« Nous avons conçu une structure qui a cinq couches de semi-conducteur chacune avec des compositions légèrement différentes », a déclaré Zhu. « En raison de cette conception de matériau, la plage de longueur d'onde infrarouge où le rayonnement thermique a plusieurs pics de résonance, ce qui signifie que la structure absorbe et émet un rayonnement thermique sur plusieurs longueurs d'onde, nous nous attendons donc à voir l'effet sur une large bande de longueur d'onde. »
Les chercheurs ont également déclaré que leur émetteur est un film très mince qui peut être transféré à d'autres surfaces, ce qui le distingue des travaux antérieurs et a permis une intégration de l'appareil.
« Notre matériau est cultivé avec une épaisseur totale d'environ deux micromètres, ce qui est plus mince qu'une mèche de cheveux », a déclaré la co-prime auteur et doctorat en génie mécanique de Penn State Alireza Kalantari Dehaghi. « Dans notre travail, activé par le système de matériaux que nous avons choisi, nous avons transféré le film mince à microscope vers un autre substrat, ce qui signifie qu'il pourrait être transféré à différents types de dispositifs pour augmenter l'efficacité de la conversion d'énergie, du transfert de chaleur et d'autres applications. »
La découverte est activée par le spectrophotomètre à émission thermique magnétique à résolution angulaire qu'ils ont conçu sur mesure, selon ZHU. Un spectrophotomètre peut mesurer le rayonnement électromagnétique d'une manière résolue par la longueur d'onde, ce qui signifie qu'il peut faire la différence entre différentes longueurs d'onde pour déterminer l'intensité de rayonnement à chaque longueur d'onde.
« Ce système nous permet de mesurer directement le spectre d'émission thermique sur un énorme espace de paramètres », a déclaré Zhu. « Par exemple, nous pouvons mesurer l'émission thermique sur de larges bandes angulaires et de longueur d'onde, nous pouvons modifier la température de l'objet, et nous pouvons fournir un grand champ magnétique à l'objet, qui est une clé pour atteindre cette forte rupture de la loi de Kirchhoff dans le matériau étudié dans ce travail. »
Les chercheurs ont déclaré qu'ils prévoyaient de continuer à explorer la non-réciprocité du rayonnement thermique dans une variété de matériaux.
Pramit Ghosh, doctorant en génie mécanique de Penn State, est également auteur sur le journal.
