Нарушение радиационного баланса: новый материал излучает лучше, чем поглощает. Карта эффекта Мейснера при высоком давлении

Горячие объекты излучают свет. Тепло от кухонной плиты или невидимое излучение, исходящее от крыши здания, — всё это примеры теплового излучения, которое распространяется вовне. Но оно также может течь и в обратном направлении. Это означает, что при тепловом равновесии способность объекта излучать свет в одном направлении (эмиссивность) равна его способности поглощать тот же свет, приходящий с другой стороны (абсорбативность). 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, которая связывает электромагнитные входные и выходные сигналы. Затем они показывают, что эта невзаимная система демонстрирует гораздо более высокую эмиссивность, чем абсорбативность в одном и том же направлении.

Наблюдаемая разница между эмиссивностью и абсорбативностью 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 инфракрасное маскирование.

Эмиссивность и абсорбативность

Эмиссивность и абсорбативность — это безразмерные числа от 0 до 1, где 0 соответствует идеальному отражателю, а 1 — идеальному абсолютно чёрному телу. Закон Кирхгофа о тепловом излучении утверждает, что при тепловом равновесии эмиссивность объекта равна его абсорбативности 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, имеющие более высокую эмиссивность, чем абсорбативность в заданном направлении в условиях равновесия.

Экспериментальная демонстрация нарушения закона Кирхгофа

В 2023 году мы с коллегами 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 эмиссивностью и абсорбативностью 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.

Для легированных полупроводников диэлектрическая проницаемость (эпсилон) может стремиться к нулю при определённой инфракрасной частоте. В этом состоянии «эпсилон, близком к нулю» можно возбудить фотонный резонанс, называемый режимом Берремана, что значительно усиливает невзаимные взаимодействия света и вещества.

Команда использовала спектроскопию магнитотермического излучения с угловым разрешением для измерения как эмиссивности, так и абсорбативности своего устройства в диапазоне длин волн и углов. При приложенном магнитном поле в 5 Тл материал демонстрирует разницу между эмиссивностью и абсорбативностью до 0,43 в широком диапазоне длин волн в среднем инфракрасном диапазоне (13–22 мкм) и сохраняет эту производительность при широком угле излучения.

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 некоторые материалы требуют высокого давления, чтобы перейти в сверхпроводящее состояние, что делает измерения магнитного поля непрактичными.

Теперь Кассандра Дайлледуз из Университета Париж-Сакле и её коллеги нанесли на карту магнитное поле, искажающее сверхпроводник под давлением в 4 гигапаскаля. Их результат стал возможен благодаря разработке быстрого и надёжного метода анализа данных.

Высокое давление можно приложить к материалу, сжимая 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.

Дайлледуз и её коллеги применили 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.

Отображение этих величин позволило визуализировать эффект Мейснера и выявить наличие дефектов в сверхпроводнике. Hg-1223 сверхпроводит при атмосферном давлении, и его можно протестировать без использования этой новой техники. Но исследователи говорят, что их протокол анализа сигналов можно применить к никелатам и супергидридам — материалам, которые сверхпроводят только при высоком давлении.

— Мартин Родригес-Вега,
ассоциированный редактор журнала Physical Review Letters.

Источник

Оставьте комментарий