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 в обратном направлении. Это означает, что при тепловом равновесии способность объекта излучать свет в одном направлении (эмиссионность) равна его способности поглощать тот же свет, идущий с другого направления (абсорбтивность). Но что, если это правило можно нарушить?
В новом исследовании Чжэнон Zhang и его коллеги из Университета штата Пенсильвания демонстрируют эту захватывающую возможность. Исследователи применяют внешнее магнитное поле к слоистому материалу, создавая систему, нарушающую взаимность Лоренца — общую симметрию, которая связывает электромагнитные входные и выходные сигналы. Затем они показывают, что эта невзаимная система демонстрирует гораздо более высокую эмиссионность, чем абсорбтивность в одном и том же направлении.
Наблюдаемая разница между эмиссионностью и абсорбтивностью в два раза больше, чем в предыдущих экспериментах, что устанавливает новый стандарт в этой области. Результаты открывают путь для будущих технологий, таких как тепловые диоды, радиационные тепловые двигатели и инфракрасный камуфляж.
Эмиссионность и абсорбтивность — это безразмерные числа от 0 до 1, где 0 соответствует идеальному отражателю, а 1 — идеальному абсолютно чёрному телу. Закон теплового излучения Кирхгофа утверждает, что при тепловом равновесии эмиссионность объекта равна его абсорбтивности для любой заданной длины волны, направления и поляризации, но 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 спроектировав оптическую среду — используя материалы, которые асимметрично взаимодействуют со светом, — можно создать излучатели, имеющие более высокую эмиссионность, чем абсорбтивность в заданном направлении в условиях равновесия.
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 около 1 тесла (Тл), что вызвало циклотронное движение электронов в InAs и нарушение взаимности Лоренца. Однако полученная разница между эмиссионностью и абсорбтивностью 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 (рис. 1). Новое устройство состоит из структуры, состоящей из нескольких слоёв легированного арсенида индия галлия, другого магнитооптического материала, нанесённого на золотую подложку.
Команда использовала спектроскопию магнитотермического излучения с угловым разрешением для измерения как эмиссионности, так и абсорбтивности своего устройства в диапазоне длин волн и углов. При приложенном магнитном поле в 5 Тл материал демонстрирует разницу между эмиссионностью и абсорбтивностью до 0,43 в широком диапазоне длин волн в среднеинфракрасной области (13–22 мкм) и сохраняет эту производительность при широком угле излучения.
🔬 Эффект Мейснера при высоком давлении
Магнитные поля не могут проникнуть в сверхпроводник, кроме как в ограниченных областях — явление, известное как эффект Мейснера. Исследователи обычно используют этот эффект для обнаружения дефектов в материале, которые представляют собой участки, улавливающие магнитное поле. Однако для некоторых материалов требуются высокие давления, чтобы заставить их перейти в сверхпроводящее состояние, что делает измерения магнитного поля нецелесообразными.
Теперь Кассандра Далледюз из Университета Париж-Сакле и её коллеги составили карту магнитного поля, искажающегося 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 центров азот-вакансия (NV) — дефектов решётки, наделённых спином. При возбуждении микроволнами центры NV излучают свет, интенсивность которого зависит от силы и ориентации локального магнитного поля.
Далледюз и её коллеги приложили давление и магнитное поле к образцу Hg-1223, сверхпроводнику на основе ртути. Они возбудили центры NV, применив микроволны различной частоты, и записали интенсивность результирующего светового излучения. Статистический анализ набора данных позволил получить информацию о силе и ориентации магнитного поля в образце.
🔬 Визуализация эффекта Мейснера и обнаружение дефектов в сверхпроводнике
Hg-1223 сверхпроводит при атмосферном давлении, и поэтому его можно протестировать без использования этой новой методики. Но исследователи говорят, что их протокол анализа сигналов может быть применён к никелатам и супергидридам — материалам, которые сверхпроводят только при высоком давлении.
— Мартин Родригес-Вега,
Martin Rodriguez-Vega — заместитель редактора журнала Physical Review Letters.