Горячие объекты излучают свет в результате теплового излучения. Тепло от кухонной плиты до невидимого излучения, исходящего от крыши здания, — всё это примеры теплового излучения, распространяющегося наружу. Но оно также может течь и внутрь, в обратном направлении. Это означает, что при тепловом равновесии способность объекта излучать свет в одном направлении (известная как излучательная способность) равна его способности поглощать тот же свет, идущий с другого направления (поглощательная способность). 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 входные и выходные электромагнитные 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 теплового излучения утверждает, 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.
Экспериментальное подтверждение
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 излучательной и поглощательной способностями составила 0,22 — скромный невзаимный эффект — и полоса пропускания была ограничена.
Чжэнон Zhang и его коллеги добились 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 Берремана
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 невзаимное взаимодействие света и вещества. Используя этот эффект, исследователи варьировали концентрации легирующих примесей в слоях таким образом, чтобы легирование постепенно увеличивалось с глубиной, что позволяло получить доступ к широкому спектру режимов Берремана.
Команда использовала спектроскопию магнитотермического излучения с угловым разрешением для измерения излучательной и поглощательной способностей своего устройства в диапазоне длин волн и углов. При приложенном магнитном поле в 5 Тл материал демонстрирует разницу между излучательной и поглощательной способностями 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 проникать в сверхпроводник — явление, известное как эффект Мейснера. Исследователи регулярно используют этот эффект для обнаружения дефектов в материале, которые представляют собой участки, способные улавливать магнитное поле. Однако для того, чтобы заставить некоторые материалы перейти в сверхпроводящее состояние, требуются высокие давления, 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.
Применение высокого давления
Высокое давление можно приложить к материалу, сжимая 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. Нанесение на карту этих величин позволило визуализировать эффект Мейснера и выявить наличие дефектов в сверхпроводнике.
Hg-1223 переходит в сверхпроводящее состояние при атмосферном давлении, и поэтому его можно тестировать без использования этой новой методики. Но исследователи говорят, что их протокол анализа сигналов можно применить к никелатам и супергидридам — материалам, которые переходят в сверхпроводящее состояние только при высоком давлении.
— Мартин Родригес-Вега,
ассоциированный редактор журнала Physical Review Letters.