Nya resultat publicerade i tidskriften Physical Review Letters beskriver hur ett specialdesignat metamaterial kunde rubba den normalt jämna balansen mellan värmeabsorption och värmeemission, vilket gör att materialet bättre kan avge infrarött ljus än att absorbera det.
Vid första anblicken verkar dessa resultat strida mot Kirchhoffs lag om värmestrålning, som säger att ett objekt under vissa förhållanden absorberar infrarött ljus (absorptionsförmåga) i en riktning och avger det (emissionsförmåga) med samma intensitet i en annan riktning, ett fenomen som kallas reciprocitet.
Under det senaste decenniet har forskare dock börjat utforska teoretiska konstruktioner som under rätt förhållanden skulle kunna göra det möjligt för material att bryta reciprociteten. Att förstå hur ett material absorberar och avger infrarött ljus (värme) är centralt inom många områden inom vetenskap och teknik. Att kunna kontrollera hur ett material absorberar och avger infrarött ljus skulle kunna bana väg för framsteg inom solenergi, termiska kamouflageanordningar och andra tekniker.
Banbrytande experiment som genomfördes av en forskargrupp 2023 gav spännande resultat. Genom att använda ett enda lager av det magneto-optiska materialet indiumarsenid (InAs) och utsätta det för ett kraftigt magnetfält på cirka en tesla (något mindre kraftfullt än en MR-maskin men cirka 100 000 gånger kraftfullare än jordens magnetfält) lyckades teamet uppnå icke-reciprocitet. Även om detta bekräftade teoretiska förutsägelser var effekten svag och fungerade endast under mycket snäva förhållanden.
En tillämpning för en icke-reciprok värmeemitter är att placera den ovanför en solvärmefotovoltaisk cell. En sådan konstruktion skulle kunna bidra till att utvinna mer av solens energi genom att leda värmestrålningen företrädesvis i en riktning. Källa: American Physical Society/Alan Stonebraker
Den nyrapporterade konstruktionen, som utvecklats av Zhenong Zhang och kollegor vid Pennsylvania State University, lyckades fördubbla den tidigare observerade effekten, vilket gör den till den första rapporterade observationen av ”stark” icke-reciprok termisk emission.
För att uppnå detta rekordresultat skapade Zhangs team ett metamaterial bestående av fem 440 nanometer tjocka lager av elektron-dopat indiumgalliumarsenid (InGaAs). Dopningskoncentrationen ökade med ökande djup. InGaAs-lagren överfördes sedan till ett kiselsubstrat.
Provet studerades sedan med en specialdesignad vinkelupplöst magnetisk termisk emissionsspektroskopi (ARMTES), som värmde provet till 540 Kelvin (512 Fahrenheit) och utsatte det för ett magnetfält på 5 tesla.
Zhang och hans kollegor mätte sedan materialets icke-reciprocitetsgrad och visade att det uppvisade dubbelt så stor effekt som tidigare rapporterats. Effekten kvarstod över ett brett vinkelområde och ett brett spektrum av infraröda våglängder (från 13 till 23 mikrometer).
Zhang säger: ”Vårt experiment realiserar för första gången stark icke-reciprok emission, med en icke-reciprocitet på hela 0,43, vilket är mycket högre än den icke-reciprocitet som rapporterats i litteraturen.”
Forskarna spekulerar i att ytterligare framsteg inom detta område kan leda till genombrott inom nya klasser av termiska dioder och transistorer, förbättrade termofotovoltaiska konstruktioner och andra värmehanteringstekniker.
Mer information: Zhenong Zhang et al, Observation of Strong Nonreciprocal Thermal Emission, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.135.016901
