Onderzoekers ontwikkelen een nieuwe aanpak voor het beheersen van thermische emissie

Het National Graphene Institute van de Universiteit van Manchester heeft een internationaal team aangevoerd om een ​​nieuwe aanpak te ontwikkelen voor het beheersen van thermische emissie, gedetailleerd beschreven in een artikel gepubliceerd in Wetenschap. Deze doorbraak biedt nieuwe ontwerpstrategieën die verder gaan dan conventionele materialen, met veelbelovende implicaties voor thermisch beheer en camouflagetechnologieën.

Het internationale team, waartoe ook Penn State College of Engineering, Koc University in Turkije en Vienna University of Technology in Oostenrijk behoorden, heeft een unieke interface ontwikkeld die thermische emissies van twee oppervlakken met verschillende geometrische eigenschappen lokaliseert, waardoor een “perfecte” thermische zender ontstaat. Dit platform kan thermisch licht uitstralen vanuit specifieke, ingeperkte emissiegebieden met eenheidsemissiviteit.

Professor Coskun Kocabas, hoogleraar 2D-apparaatmaterialen aan de Universiteit van Manchester, legt uit: ‘We hebben een nieuwe klasse thermische apparaten gedemonstreerd met behulp van concepten uit de topologie – een tak van de wiskunde die eigenschappen van geometrische objecten bestudeert – en uit niet-hermitische fotonica, die is een bloeiend onderzoeksgebied dat licht en de interactie ervan met materie bestudeert in aanwezigheid van verliezen, optische winst en bepaalde symmetrieën.”

Het team zei dat het werk thermische fotonische toepassingen zou kunnen bevorderen om thermische emissie beter te kunnen genereren, controleren en detecteren. Eén toepassing van dit werk zou in satellieten kunnen zijn, zei co-auteur prof. Sahin Ozdemir, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica aan Penn State.

Geconfronteerd met aanzienlijke blootstelling aan hitte en licht, zouden satellieten die met de interface zijn uitgerust, de geabsorbeerde straling met eenheidsemissiviteit kunnen uitzenden langs een specifiek aangewezen gebied dat door onderzoekers is ontworpen om ongelooflijk smal te zijn en in welke vorm dan ook nodig wordt geacht.

Volgens Ozdemir was het echter niet eenvoudig om dit punt te bereiken. Hij legde uit dat een deel van de kwestie is om alleen op het grensvlak een perfecte thermische absorber-emitter te creëren, terwijl de rest van de structuren die het grensvlak vormen “koud” blijven, wat betekent dat er geen absorptie en geen emissie is.

“Het bouwen van een perfecte absorber-emitter – een zwart lichaam dat alle binnenkomende straling feilloos absorbeert – bleek een enorme opgave te zijn,” zei Ozdemir.

Het team ontdekte echter dat je deze op een gewenste frequentie kunt bouwen door het licht op te vangen in een optische holte, gevormd door een gedeeltelijk reflecterende eerste spiegel en een volledig reflecterende tweede spiegel: het binnenkomende licht wordt gedeeltelijk gereflecteerd door de eerste spiegel en het licht dat gedeeltelijk wordt gereflecteerd door de eerste spiegel. wordt alleen gereflecteerd nadat het gevangen zit tussen de twee spiegels die elkaar precies opheffen. Omdat de reflectie dus volledig wordt onderdrukt, wordt de lichtbundel opgesloten in het systeem, perfect geabsorbeerd en uitgestraald in de vorm van thermische straling.

Om zo’n interface te bereiken, ontwikkelden de onderzoekers een holte gestapeld met een dikke goudlaag die het binnenkomende licht perfect reflecteert en een dunne platinalaag die het binnenkomende licht gedeeltelijk kan reflecteren. De platinalaag fungeert ook als een breedbandige thermische absorber-emitter. Tussen de twee spiegels bevindt zich een transparant diëlektricum genaamd parylene-C.

De onderzoekers kunnen de dikte van de platinalaag naar behoefte aanpassen om de kritische koppelingstoestand te bewerkstelligen waarbij het binnenkomende licht in het systeem wordt opgesloten en perfect wordt geabsorbeerd, of om het systeem weg te bewegen van de kritische koppeling naar sub- of superkritische koppeling waarbij perfecte absorptie en emissie kunnen niet plaatsvinden.

‘Alleen door twee platinalagen met diktes kleiner en groter dan de kritische dikte over dezelfde diëlektrische laag te hechten, creëren we een topologisch grensvlak van twee holtes waar perfecte absorptie en emissie beperkt zijn. Cruciaal hierbij is dat de holtes die het grensvlak vormen zich niet op dezelfde hoogte bevinden. kritische koppelingsconditie”, zegt eerste auteur M. Said Ergoktas, onderzoeksmedewerker aan de Universiteit van Manchester

De ontwikkeling daagt het conventionele begrip van thermische emissie in het veld uit, aldus co-auteur Stefan Rotter, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Technische Universiteit van Wenen: “Traditioneel werd aangenomen dat thermische straling geen topologische eigenschappen kan hebben vanwege de onsamenhangende aard ervan. .”

Volgens Kocabas is hun benadering van het bouwen van topologische systemen voor het beheersen van straling gemakkelijk toegankelijk voor wetenschappers en ingenieurs.

“Dit kan zo simpel zijn als het maken van een film die is verdeeld in twee gebieden met verschillende diktes, zodat de ene kant voldoet aan de subkritische koppeling en de andere kant zich in het superkritische koppelingsregime bevindt, waardoor het systeem in twee verschillende topologische klassen wordt verdeeld”, zegt Kocabas. gezegd.

De gerealiseerde interface vertoont een perfecte thermische emissiviteit, die wordt beschermd door de reflectietopologie en “vertoont robuustheid tegen lokale verstoringen en defecten”, aldus co-auteur Ali Kecebas, een postdoctoraal onderzoeker aan Penn State.

Het team bevestigde de topologische kenmerken van het systeem en de connectie ervan met de bekende niet-Hermitische fysica en zijn spectrale degeneraties, bekend als uitzonderlijke punten, door middel van experimentele en numerieke simulaties.

“Dit is slechts een glimp van wat je kunt doen in het thermische domein met behulp van een topologie van niet-hermiticiteit. Eén ding dat verder moet worden onderzocht, is de observatie van de twee tegengestelde voortplantingsmodi op het grensvlak dat onze theorie en numerieke simulaties voorspellen”, zegt Kocabas. gezegd.