Co tu się wydarzyło?! Ten materiał lepiej emituje podczerwień, niż ją pochłania

Zespół naukowców z Pennsylvania State University opracował iście przełomowy materiał, który potrafi emitować więcej promieniowania podczerwonego, niż sam pochłania. Mogłoby się wydawać, że mamy tutaj do czynienia z łamaniem praw fizyki, jednak byłoby to tylko złudzenie. Wbrew pozorom o naruszeniu praw fizyki nie ma tu mowy. Nie zmienia to jednak faktu, że odkrycie to może zrewolucjonizować sposób, w jaki zarządzamy energią cieplną w wielu nowoczesnych technologiach.

Tradycyjnie zakłada się, że każdy materiał znajdujący się w równowadze termicznej emituje tyle samo promieniowania, ile pochłania. Zasada ta, znana jako prawo Kirchhoffa, opiera się na koncepcji wzajemności i stanowi fundament klasycznej termodynamiki. Mimo to na przestrzeni ostatnich kilku lat fizycy zaczęli rozważać scenariusze, w których możliwe byłoby celowe przełamanie tej symetrii, na przykład przy użyciu silnych pól magnetycznych lub specjalnie zaprojektowanych struktur na poziomie mikroskopowym.

Czytaj także: Szkło? To już przeszłość. W jego miejsce wejdzie nowy materiał

Pomysł ten zyskał zainteresowanie ze względu na swoje potencjalne zastosowania — od maskowania termicznego, przez bardziej efektywne systemy chłodzenia w elektronice, po nowoczesne metody pozyskiwania energii słonecznej. Możliwość kontrolowania kierunku i intensywności emisji oraz absorpcji promieniowania podczerwonego otwiera nowe ścieżki rozwoju w inżynierii materiałowej.

Pierwsze eksperymenty z tego typu materiałami przeprowadzono już w 2023 roku, gdy naukowcy wykorzystali cienką warstwę arsenku indu (InAs) i pole magnetyczne o natężeniu 1 tesli. Udało się wówczas zarejestrować niewielkie naruszenie zasady wzajemności, ale efekt ten był bardzo słaby i ograniczony do ściśle określonych warunków.

Teraz jednak mamy do czynienia z prawdziwym przełomem. Naukowcy pracujący pod kierunkiem Zhenonga Zhanga z Penn State zaprojektowali nowy metamateriał, złożony z pięciu ultracienkich warstw arsenku indu i galu (InGaAs) domieszkowanego elektronami.

Każda warstwa miała grubość zaledwie 440 nanometrów, a poziom domieszkowania zwiększał się wraz z głębokością. Tak przygotowaną strukturę następnie osadzono na podłożu krzemowym.

Aby przetestować możliwości materiału, badacze podgrzali próbkę do temperatury 540 kelwinów (czyli około 267°C) i umieścili ją w polu magnetycznym o natężeniu 5 tesli. Do pomiarów wykorzystali zaawansowaną technikę znaną jako kątowo-rozdzielcza magnetyczna emisyjna spektroskopia cieplna (ARMTES), która pozwala precyzyjnie analizować, jak materiał emituje i pochłania promieniowanie podczerwone.

Czytaj także: Nowy materiał zachowuje się jak Terminator. Dowiedzieliśmy się, jak to możliwe

Jak można się spodziewać, wyniki były zdumiewające. Nowy metamateriał osiągnął poziom nieodwzajemnionej emisji na poziomie 0,43 — ponad dwukrotnie wyższy niż dotychczasowy rekord. Co więcej, efekt ten utrzymywał się stabilnie w szerokim zakresie długości fal promieniowania podczerwonego (od 13 do 23 mikrometrów) i pod różnymi kątami obserwacji, co świadczy o jego trwałości i potencjalnej użyteczności praktycznej.

Mamy zatem do czynienia z pierwszym potwierdzonym eksperymentalnie osiągnięciem silnej asymetrii, w której badany materiał emituje znacznie więcej promieniowania podczerwonego, niż pochłania. Możemy być pewni, że efektem tego odkrycia będzie wiele dalszych projektów mających najpierw potwierdzić odkrycie, a dopiero potem wykorzystać płynące z niego wnioski do tworzenia materiałów, które istotnie rozszerzą nasze możliwości kontrolowania przepływu ciepła i promieniowania w urządzeniach elektronicznych czy też w ogniwach fotowoltaicznych przyszłości.