Физики нарушили закон Кирхгофа, не нарушив ни одного фундаментального принципа

Физики из США пересматривают привычные представления о тепловом излучении. Впервые им удалось добиться направленного нарушения закона Кирхгофа с помощью специально созданного метаматериала. Эксперимент показал , что можно усиливать тепло в одном направлении и одновременно почти исключить его поглощение — без противоречия фундаментальным законам природы, но за счёт точного контроля структуры материала.

Результаты работы раскрывают новые возможности для управления инфракрасным излучением. Такой подход может значительно повысить эффективность солнечных энергетических систем , тепловых диодов, устройств тепловой маскировки и других технологий.

На первый взгляд, подобное кажется невозможным. Закон Кирхгофа утверждает: любой объект должен одинаково хорошо поглощать и излучать тепло в инфракрасном диапазоне, если находится в тепловом равновесии. Этот принцип считался непреложным почти 150 лет.

Однако учёные давно размышляют, как обойти ограничение. Один из способов — добиться невзаимности: когда излучение и поглощение перестают быть зеркально-симметричными. Такой эффект позволяет управлять направлением теплового потока, что особенно важно для многих инженерных задач.

Первый эксперимент, подтверждающий эту идею, провели в 2023 году. Тогда исследователи использовали тонкий слой индия арсенида (InAs) — магнито-оптического материала, который демонстрирует необычные свойства под действием магнитного поля. Однако эффект оказался крайне слабым и проявлялся только в узком диапазоне условий.

Новый эксперимент под руководством Чженуна Чжана из Университета штата Пенсильвания значительно улучшил результат. Впервые удалось добиться сильной невзаимности теплового излучения — того, что раньше существовало только в теории.

Учёные создали многослойный метаматериал, свойства которого определяются не только химическим составом, но и наномасштабной структурой. Образец состоит из пяти тончайших слоёв легированного индия-галлия-арсенида (InGaAs), каждый толщиной около 440 нанометров — это в 200 раз меньше толщины человеческого волоса.

Концентрация примесей увеличивается от слоя к слою, что создаёт внутри материала градиент свойств. Готовую структуру разместили на кремниевой подложке, чтобы обеспечить её стабильность.

Для проверки результата команда Чжана разработала уникальную установку — спектроскопию теплового излучения с угловым разрешением и магнитным полем (ARMTES). Образец нагрели до 540 кельвинов (примерно 267 градусов Цельсия) и воздействовали на него магнитным полем силой 5 тесла — это в пять раз больше, чем в предыдущих экспериментах.

Коэффициент достиг значения 0,43 — это в несколько раз выше, чем удавалось получить раньше. Более того, эффект сохранялся в широком диапазоне длин волн (от 13 до 23 микрон) и под разными углами, что важно для практического применения.

Одна из ключевых областей, где такой эффект пригодится — солнечная энергетика. В термофотогальванических установках особенно важно направлять тепловое излучение точно на преобразователь энергии. Чем меньше потерь, тем выше КПД системы.

Кроме того, такие материалы могут лечь в основу тепловых диодов и транзисторов — устройств, которые управляют тепловым потоком так же, как их электронные аналоги управляют электрическим током.

Другой вариант использования — создание тепловой маскировки. Метаматериалы помогут скрывать объекты от тепловизоров и инфракрасных сенсоров, изменяя характер их излучения.

Авторы работы подчёркивают: это только первый шаг. В будущем они планируют экспериментировать с составом материалов, архитектурой наноструктур и параметрами магнитного поля, чтобы усилить эффект и, возможно, открыть новые физические явления в этой области.