Нарушение закона излучения Кирхгофа подтвердили экспериментально

Американские физики впервые увидели в эксперименте нарушение теплового закона Кирхгофа. Для этого ученые приложили к волноводу с направляющей модой поперечное магнитное поле, и выяснили, что он излучает разное количество электромагнитной энергии в зависимости от направления поля. Это открытие поможет снизить потери энергии от переизлучения при использовании солнечных батарей, пишут ученые в Nature Photonics.

Все тела при ненулевой абсолютной температуре излучают и поглощают электромагнитную энергию. И чем больше объект излучает, тем больше он и поглощает — так можно сформулировать закон излучения Кирхгофа. Такая закономерность полезна для понимания того, какое количество энергии объект излучает в окружающий мир. Есть множество случаев, в которых хотелось бы уменьшить это излучение, не меняя при этом количество поглощаемой энергии — например, при радиационном охлаждении.

Закон Кирхгофа — следствие более общего принципа взаимности Онсагера, устанавливающего связь между термодинамическими потоками и силами при помощи термодинамических коэффициентов. Пример таких коэффициентов — излучательная и поглощательная способности тела, которые по этому закону должны быть равны. Закон излучения в своей формулировке никак не учитывает зависимость от некоторых важных физических величин, например, внешнего магнитного поля. Как показывают теоретические исследования, внешнее поле может нарушить закон Кирхгофа, однако экспериментальных подтверждений этому не было.

Чтобы проверить гипотезу теоретиков, американские исследователи под руководством Гарри Этуотера (Harry Atwater) из Калифорнийского технологического института изучили поглощение и излучение волновода с резонансом в направляемой моде (guided-mode resonance waveguide). Физики измеряли количество излученной и поглощенной энергии образцом, в зависимости от угла падения электромагнитной волны и внешнего магнитного поля.

Волновод состоял из легированного арсенида индия InAs в качестве подложки и напыленного на него аморфного кремния a-Si в виде массива полосок с периодом 5,5 микрометра. Чтобы создать и детектировать электромагнитные волны, ученые использовали инфракрасный спектрометр (на длинах волн 8–14 микрометров). В качестве источника поперечного магнитного поля для измерения излучения применяли электромагниты, а для измерения поглощения — массив из постоянных магнитов — магнитную сборка Халбаха.

Оказалось, что в отсутствие магнитного поля поглощательная способность, как и ожидалось, была равна излучательной. Но при приложении положительного поперечного поля поглощение превышало излучение, а в случае отрицательного поля — излучение превосходило поглощение. При этом поглощение в положительном поле при прочих равных величинах (температура, длина волны, угол падения) было равно излучению образца в отрицательном магнитном поле, что соответствует принципу Онсагера.

Ученые ожидают, что результаты их работы откроют более широкие возможности для создания приборов, в основе которых лежит нарушение закона излучения. Такие приборы могут быть полезны, например, для создания солнечных батарей нового типа.

Закон Кирхгофа может быть полезен и в других сферах. Например, мы писали о том, как на его основе ученые создали ткань с разными излучательными способностями, которая могла поддерживать комфортную для тела человека температуру.