Nowy materiał podważa prawo Kirchhoffa. Niebywały scenariusz ze światłem w roli głównej

Fizycy z Penn State University piszą o tym, czego dokonali na łamach Physical Review Letters. Kluczową informację wynikającą z jego lektury jest to, że zaprojektowany przez amerykańskich naukowcy metamateriał zaburza równowagę między absorpcją termiczną a emisją. W konsekwencji emitowanie światła w podczerwieni okazuje się przebiegać sprawniej aniżeli jego wchłanianie.

Czytaj też: Promieniowanie krótkofalowe okazało się źródłem zaskakujących informacji na temat Ziemi

Wszystko to bez złamania praw fizyki, choć z jednoczesnym wystawieniem ich na bardzo poważną próbę. Na pierwszy rzut oka można byłoby natomiast uznać, że wspomniane prawo Kirchhoffa zostało podważone. Odnosi się ono do promieniowania cieplnego i zakłada, że w określonych warunkach obiekt wchłania światło podczerwone z taką samą intensywnością jak zachodzi jego późniejsza emisja.

Od jakiegoś czasu zaczęły się jednak pojawiać doniesienia o tym, iż można stworzyć materiał funkcjonujący tak, by złamać zasadę wzajemności Kirchhoffa. I nie chodzi jedynie o udowodnienie, że zasłużony naukowiec popełnił błąd. Im lepsze zrozumienie tego, w jaki sposób materiał pochłania i emituje światło w podczerwieni powinno przynieść szereg praktycznych korzyści. Mówi się o praktycznych zastosowaniach w dziedzinie fotowoltaiki czy projektowaniu urządzeń termicznych.

Prawo Kirchhoffa odnoszące się do zachowania wzajemności między padającym i emitowanym promieniowaniem zostało teraz naruszone z wykorzystaniem nowego metamateriału

Członkowie zespołu badawczego odpowiedzialnego za najnowsze doniesienia w tej sprawie zmierzyli kontrast niewzajemności wynoszący 0,43, co stanowi wskaźnik określający różnicę między absorpcyjnością a emisyjnością materiału. Gdyby zasada wzajemności faktycznie funkcjonowała, to ostateczny wynik powinien wynosić 0. Tutaj było jednak inaczej, a odnotowany rezultat występował w szerokim paśmie długości fali wynoszącej 10 mikrometrów.

Do wykonania pomiarów autorzy wykorzystali emiter złożony z pięciu cienkich warstw. Każda z nich zawiera nieco inny materiał półprzewodnikowy, a całość ma zaledwie dwa mikrometry grubości. W toku przeprowadzonych analiz ich autorzy udowodnili, że da się naruszyć zasadę wzajemności Kirchhoffa. Na potrzeby eksperymentów potrzeba było wysokich temperatur i bardzo silnych pól magnetycznych. 

Czytaj też: Czy jesteśmy sami we wszechświecie? Nowe odkrycie sugeruje, że materiały do życia są wszędzie

W kontekście realnych zastosowań tego przełomu sami zainteresowani podają przykład ogniwa słonecznego, które musi emitować energię optyczną w kierunku Słońca, co jest zgodne z prawem Kirchhoffa. Ta odbita energia jest marnowana, dlatego ograniczając współczynnik emisji naukowcy mogliby zwiększyć pozyskiwanie energii, kierując tę odbitą w innym kierunku i ponownie ją wykorzystując.