Metamateriál „obchází“ fyzikální zákony

Zmíněný zákon tepelného záření zformulovaný německým fyzikem Gustavem Kirchhoffem v druhé polovině 19. století v kostce charakterizuje princip, že při konstantní teplotě se emisivita materiálu (tj. schopnost tělesa vyzařovat teplo) rovná jeho absorpčnímu koeficientu (tedy schopnosti teplo přijímat), a to při každé vlnové délce a úhlu. V tepelné rovnováze se schopnost objektu tepelně emitovat světlo v jednom směru (emisivita) rovná jeho schopnosti absorbovat stejné světlo přicházející z druhého směru (absorpce). V praxi to znamená, že povrch, který silně vyzařuje např. infračervené záření, ho také stejně dobře absorbuje. 
Emisivita a absorpce jsou bezrozměrná čísla mezi 0 a 1, kde 0 odpovídá dokonalému reflektoru a 1 odpovídá dokonalému černému tělesu (pohlcujícímu přijímanou energii). Kirchhoffův zákon tepelného záření uvádí, že v tepelné rovnováze se emisivita objektu rovná jeho absorpční schopnosti pro jakoukoli danou vlnovou délku, směr a polarizaci, ale tato rovnost platí pouze pro systémy, které se řídí Lorentzovou reciprocitou. Během posledního desetiletí teoretické studie ukázaly, že když je reciprocita narušena, Kirchhoffův zákon může být porušen, aniž by se porušil druhý termodynamický zákon. To naznačuje, že specifickým návrhem optického prostředí (použitím materiálů, které asymetricky interagují se světlem) by bylo možné vytvořit zářiče, které mají vyšší emisivitu než absorpční schopnost v daném směru za rovnovážných podmínek. 

Vyloučí více tepla, než přijme
Vědcům se nyní podařilo takovýto materiál, který zmíněný fyzikální zákon porušuje, vytvořit, jak informoval americký magazín Physics. Jde o látku tvořenou pěticí ultratenkých vrstev polovodiče InGaAs o tloušťce 440 nanometrů. Z chemického hlediska tvoří nový unikátní materiál indium, galium a arsen. Jejich jednotlivé vrstvy byly postupně obohaceny elektrony a umístěny na křemíkovou základnu. Zahřátím v magnetickém poli o síle 5 tesla pak materiál vyzařoval o 43 % více infračerveného záření v jednom směru, než kolik absorboval. Teplo bylo tak nuceno proudit pouze jedním směrem a Kirchhoffův zákon přestal platit. 
Výzkumníci tak demonstrovali existenci silné nereciproční tepelné emise. Hodnota této nereciprocity (0,43) pak tvoří přibližně dvojnásobek maxima, které kdy bylo při podobných experimentech naměřeno.
Jak již bylo prokázáno v některých dřívějších studiích, porušení této symetrie vyžaduje přítomnost magnetického pole. Dosavadní měření sice již v minulosti potvrdila existenci nereciprocity v rámci absorpce a emise tepla, šlo však pouze o velmi slabé efekty, jichž bylo navíc možno dosáhnout pouze při specifických vlnových délkách a úhlech. Tyto magnetooptické konstrukce tak dosahovaly pouze nepatrné nerovnováhy mezi emisí a absorpcí za velmi omezených podmínek, zatímco nový výzkum dokazuje, že umělé materiály mohou produkovat poměrně efektivní jednosměrné tepelné emitory.
V nové studii Zhenong Zhang s kolegy z Penn State University demonstrují tuto možnost, když aplikovali na vrstevnatý materiál vnější magnetické pole, čímž vytvořili systém, který narušuje Lorentzovu reciprocitu (běžnou symetrii, která spojuje elektromagnetické vstupy a výstupy) a ukázali, že tento nereciproční systém vykazuje mnohem vyšší emisivitu než absorpci ve stejném směru. Nově navržená struktura vykazuje největší zaznamenaný rozdíl mezi emisivitou a absorpcí – dvojnásobný oproti hodnotě dosažené v předchozích experimentech. 
Výzkumníci dosáhli tento výrazně větší stupeň asymetrie díky silnějšímu magnetickému poli (přibližně 5 T) a pečlivě navržené fotonické struktuře. Nové zařízení tvoří struktura složená z několika vrstev dopovaného arsenidu india a galia, dalšího magnetooptického materiálu, naneseného na zlatý substrát. U dopovaných polovodičů se permitivita (epsilon) může při určité infračervené frekvenci vynulovat a za tohoto stavu může být excitována fotonická rezonance zvaná Berremanův mód, což výrazně zesiluje nereciproční interakce světla a hmoty. Pod aplikovaným magnetickým polem 5 T vykazuje materiál rozdíl emisivity a absorpce až 0,43 v širokém rozsahu vlnových délek ve středním infračerveném pásmu (13–22 µm) a tento výkon si udržuje v širokém emisním úhlu. 

Praktické využití objevu
Tyto výsledky připravují cestu pro budoucí technologie, a nerovnováha mezi emisivitou a absorpcí otevírá dveře systémům, které byly dříve reciprocitou limitovány. Nereciproční vyzařování by mohlo umožnit vznik zcela nových typů zařízení, jako jsou např. jednosměrné tepelné diody, radiační tepelné motory a zařízení pro sběr energie apod. Další možností využití je výroba solární termofotovoltaiky, kde by kromě solární energie bylo možné zužitkovat i odpadní teplo nebo umístěním nerecipročního tepelného zářiče nad solární článek získat více energie přednostním zaměřením tepelného záření jedním směrem. Potenciálního zdokonalení by se tak mohly dočkat prakticky veškeré technologie pracující s řízením tepla.
Nereciproční chování umožňuje, aby vodivost byla v jednom směru (odpovídajícím směru s vysokou emisivitou) vyšší než v opačném směru, a otevírá množnosti využití např. v mezivrstvě pro efektivnější směrování energii ze zdroje do systému pro její získávání, nebo by se nezávislá regulace emisivity a absorpce mohla využít k potlačení tepelných signatur a kamuflážním účelům.
Podle vyjádření vědců z katedry strojního a leteckého inženýrství na texaské Houstonské univerzitě k novému objevu: „Aplikace vnějšího magnetického pole není jediný způsob, jak dosáhnout nerecipročního tepelného záření. I materiály, jako jsou magnetické Weylovy polokovy mohou podporovat nereciproční tepelné záření bez potíží s aplikací vnějšího magnetického pole.“ Výzkum v těchto směrech však zůstává do značné míry teoretický a je zapotřebí další experimentální práce.
Další výzkum v této oblasti a rozvoj oboru nabízí šanci nejen postavit lepší zařízení pro radiační teplo, ale také se např. naučit ovlivňovat tok fotonů pomocí nových materiálů pro výrobu energie a zpracování informací – což je atraktivní téma na průsečíku materiálové vědy, fotoniky a termologie.

Vladimir Kaláb
Foto: BAE Systems, APS/Alan Stonebraker

Publikováno: 22. 10. 2025 | Počet zobrazení: 403 81