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

W połowie XIX wieku Gustav Kirchhoff sformułował prawa, które na długie lata zrewolucjonizowały świat nauki. Wiele dekad później naukowcy doszli jednak do wniosku, że zasady można wystawić na poważną próbę. Wszystko to przy udziale ich niezwykłego materiału.
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 informacją 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 pochłanianie.

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 złamane. 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. Lepsze zrozumienie tego, w jaki sposób materiał pochłania i emituje światło w podczerwieni powinno przynieść szereg praktycznych korzyści. Mówi się o realnych 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.