Материал, разработанный учёными, нарушает привычное равновесие между поглощением и излучением теплового излучения, лучше излучая инфракрасный свет, чем поглощая его. Это стало возможным без нарушения законов физики, благодаря открытию топологических дефектов в трёхмерных стёклах.
Новые результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters
В журнале Physical Review Letters опубликованы новые результаты, в которых описывается, как специально разработанный метаматериал смог нарушить обычный баланс между поглощением и излучением инфракрасного света. Это позволило материалу лучше излучать инфракрасный свет, чем поглощать его.
На первый взгляд, эти результаты кажутся нарушением закона Кирхгофа о тепловом излучении, который гласит, что при определённых условиях объект будет поглощать инфракрасное излучение (поглощательная способность) в одном направлении и излучать его (излучательная способность) с равной интенсивностью в другом. Это явление известно как взаимность.
Однако за последнее десятилетие учёные начали исследовать теоретические конструкции, которые при определённых условиях могут позволить материалам нарушить взаимность. Понимание того, как материал поглощает и излучает инфракрасный свет (тепло), имеет решающее значение для многих областей науки и техники. Контроль над поглощением и излучением инфракрасного света может проложить путь для достижений в области использования солнечной энергии, создания устройств для маскировки в тепловом диапазоне и других технологий.
Эксперименты 2023 года
Эксперименты, проведённые в 2023 году группой исследователей, дали многообещающие результаты. Используя однослойный магнитооптический материал арсенид индия (InAs) и подвергая его воздействию мощного магнитного поля около одного тесла (чуть менее мощного, чем аппарат МРТ, но примерно в 100 000 раз более мощного, чем магнитное поле Земли), команда успешно достигла невзаимности. Хотя это подтвердило теоретические предсказания, эффект был слабым и действовал только в очень узких условиях.
Новый дизайн, разработанный Чжэноном Чжаном и его коллегами из Пенсильванского государственного университета, позволил удвоить ранее наблюдаемый эффект, став первым зарегистрированным наблюдением «сильной» невзаимной тепловой эмиссии.
Для достижения рекордного результата команда Чжана создала метаматериал из пяти слоёв арсенида индия галлия (InGaAs) толщиной 440 нанометров. Концентрация легирования увеличивалась с глубиной. Слои InGaAs были перенесены на кремниевую подложку.
Образец был изучен с помощью специально разработанного спектрометра магнитного теплового излучения с разрешением по углу (ARMTES), который нагревал образец до 540 кельвинов (512 по Фаренгейту) и подвергал его воздействию магнитного поля в 5 тесла.
Чжан и его коллеги измерили невзаимность материала, продемонстрировав, что он показал вдвое больший эффект, чем сообщалось ранее. Этот эффект сохранялся в широком диапазоне углов и длин волн инфракрасного излучения (от 13 до 23 микрон).
Чжан заявил: «Наш эксперимент впервые реализует сильную невзаимную эмиссию с невзаимностью до 0,43, что намного выше, чем невзаимность, описанная в литературе».
Исследователи предполагают, что дальнейшие достижения в этой области могут привести к прорывам в создании новых классов тепловых диодов и транзисторов, улучшению термофотовольтаических конструкций и другим технологиям управления теплом.
Открытие топологических дефектов в трёхмерных стёклах
Я всегда был очарован тем, как разрушаются материалы, особенно стёкла и полимеры, которые не имеют регулярной кристаллической структуры. В отличие от кристаллов, где мы понимаем пластичность через такие явления, как дислокации, аморфные материалы, такие как стёкла, более сложны. Здесь нет чёткой решётки для анализа, поэтому выяснение того, где и как они деформируются под воздействием напряжения, является большой открытой проблемой.
В двух измерениях исследователи, включая мою исследовательскую группу и меня, начали использовать топологический подход — изучение вихреобразных закономерностей в движении или вибрации атомов — для выявления слабых мест в стёклах. Это также включало разрезание трёхмерных стёкол, чтобы найти топологические дефекты в двумерных срезах. Это заставило меня задуматься: можно ли сделать что-то подобное в трёх измерениях и, что особенно важно, без необходимости разрезать стекло на двумерные слои?
В этой работе, опубликованной в Nature Communications, вместе с моим докторантом доктором Ариндиной Бера, которая выполнила анализ, и с моим давним сотрудником профессором Маттео Баггиоли мы показываем, что это возможно. Мы используем своего рода топологический дефект, называемый «ёжиком», который представляет собой точечное искажение в векторном поле — как когда крошечные стрелки в пространстве направлены наружу или внутрь, подобно шипам ёжика. Такие дефекты хорошо известны в физике мягких веществ, особенно в жидких кристаллах, но мы не видели их применения к трёхмерным аморфным твёрдым телам.
Мы взяли смоделированные полимерные стёкла и изучили, как атомы двигались непосредственно перед и во время пластического события (когда материал деформируется необратимо). Мы рассмотрели как низкоэнергетические колебательные моды, так и фактическое поле неупругого смещения (которое показывает, как частицы движутся за пределами простого упругого растяжения). То, что мы обнаружили, было поразительным: эти дефекты типа «ёжик» имеют тенденцию скапливаться именно там, где происходят пластические перестановки.
Ещё более интересным является то, что некоторые из этих дефектов имеют «гиперболическую» структуру — своего рода трёхмерный аналог антивихря в двумерном пространстве — и они особенно коррелируют с пластическими пятнами. Другими словами, материал тонко сигнализирует о том, где он собирается уступить, и этот сигнал можно прочитать топологически.
Что делает это ещё более захватывающим, так это то, что вам не нужно вычислять сложные колебательные моды, чтобы найти эти дефекты. Достаточно измерить смещения частиц. Это открывает возможность тестирования этого в реальных экспериментах.
Для меня эта работа — шаг к созданию топологической теории пластичности в аморфных твёрдых телах — то, что могло бы помочь нам разработать более прочные и надёжные стёкла и полимеры, понимая их скрытые слабые места.
Alessio Zaccone получил докторскую степень на кафедре химии ETH Zurich в 2010 году. С 2011 по 2014 год он был научным сотрудником Оппенгеймера в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. После работы на факультете Технического университета Мюнхена (2014–2015) и Кембриджского университета (2015–2018) он стал профессором и заведующим кафедрой теоретической физики на факультете физики Миланского университета с 2022 года.
Награды включают Серебряную медаль ETH, профессорскую стипендию Гаусса Гёттингенской академии наук в 2020 году, стипендию Королевского колледжа в Кембридже и грант ERC Consolidator «Multimech».
Научные интересы варьируются от статистической физики неупорядоченных систем (случайные упаковки, заклинивание, стёкла и стеклование, коллоиды, неравновесная термодинамика) до физики твёрдого тела и сверхпроводимости.