Горячие объекты излучают свет. Тепло от кухонной плиты и невидимое тепло, исходящее от крыши здания, — всё это примеры теплового излучения, распространяющегося наружу. Однако оно также может течь и внутрь, в обратном направлении. Это означает, что при тепловом равновесии способность объекта излучать свет в одном направлении (называемая излучательной способностью) равна его способности поглощать тот же свет, идущий с другого направления (называемая поглощательной способностью). Но что, если это правило можно нарушить?
В новом исследовании Чжэнон Zhang и его коллеги из Университета штата Пенсильвания демонстрируют такую возможность. Исследователи применяют внешнее магнитное поле к слоистому материалу, создавая систему, нарушающую взаимность Лоренца — общую симметрию, связывающую электромагнитные входные и выходные сигналы. Затем они показывают, что эта невзаимная система демонстрирует гораздо более высокую излучательную способность, чем поглощательную в том же направлении.
Основные понятия
* Излучательная и поглощательная способности — это безразмерные числа от 0 до 1, где 0 соответствует идеальному отражателю, а 1 — идеальному чёрному телу.
* Закон Кирхгофа о тепловом излучении гласит, что при тепловом равновесии излучательная способность объекта равна его поглощательной способности для любой заданной длины волны, направления и поляризации. Однако это равенство справедливо только для систем, подчиняющихся взаимности Лоренца.
За последнее десятилетие теоретические исследования показали, что при нарушении взаимности закон Кирхгофа может быть нарушен без нарушения второго закона термодинамики. Эти прогнозы предполагают, что, тщательно проектируя оптическую среду — используя материалы, которые асимметрично взаимодействуют со светом, — можно создать излучатели с более высокой излучательной способностью, чем поглощательной в заданном направлении в условиях равновесия.
Экспериментальная демонстрация
В 2023 году мои коллеги и я провели первую прямую экспериментальную демонстрацию нарушения закона Кирхгофа. Мы использовали магнитооптический материал — арсенид индия (InAs) в однослойной структуре. Было применено магнитное поле примерно в 1 тесла (Тл), что вызвало циклотронное движение электронов в InAs и нарушение взаимности Лоренца. Однако полученная разница между излучательной и поглощательной способностями составила 0,22 — скромный невзаимный эффект — и полоса пропускания была ограничена.
Чжэнон Zhang и его коллеги достигли гораздо большей степени асимметрии благодаря более сильному магнитному полю (примерно 5 Тл) и тщательно разработанной фотонной структуре. Новое устройство состоит из структуры, состоящей из нескольких слоёв легированного арсенида индия галлия, другого магнитооптического материала, нанесённого на золотую подложку.
Эффект Мейснера при высоком давлении
Магнитные поля не могут проникнуть в сверхпроводник — явление, известное как эффект Мейснера. Исследователи обычно используют этот эффект для обнаружения дефектов в материале, которые представляют собой участки, способные улавливать магнитное поле. Однако для некоторых материалов требуются высокие давления, чтобы перевести их в сверхпроводящее состояние, что делает измерения магнитного поля практически невозможными.
Теперь Кассандра Дейлледуз из Университета Париж-Сакле и её коллеги нанесли на карту магнитное поле, искажённое вокруг сверхпроводника под давлением в 4 гигапаскаля. Их результат стал возможен благодаря разработке быстрого и надёжного метода анализа данных.
Высокие давления могут быть приложены к материалу путём сжатия его между двумя конусообразными алмазами. Верхний алмаз также может служить датчиком магнитного поля из-за присутствия азотно-вакансионных (NV) центров — дефектов решётки, наделённых спином. При возбуждении микроволнами NV-центры излучают свет, интенсивность которого зависит от силы и ориентации локального магнитного поля.
Дейлледуз и её коллеги приложили давление и магнитное поле к образцу Hg-1223, сверхпроводнику на основе ртути. Они возбудили NV-центры, применяя микроволны различной частоты, и записали интенсивность результирующего светового излучения. Статистический анализ набора данных позволил получить информацию о силе и ориентации магнитного поля в образце.
Hg-1223 сверхпроводит при атмосферном давлении, и поэтому его можно тестировать без использования этой новой методики. Однако исследователи говорят, что их протокол анализа сигналов может быть применён к никелатам и супергидридам — материалам, которые сверхпроводят только при высоких давлениях.
— Мартин Родригес-Вега,
Martin Rodriguez-Vega является заместителем редактора журнала Physical Review Letters.