Yeni bir yapı, enerji toplama ve örtüleme cihazları için faydalı olabilecek en büyük yayma–soğurma farkını sunuyor. Pennsylvania Üniversitesi’nden araştırmacılar, katmanlı bir malzemeye manyetik alan uygulayarak Lorentz karşılıklılığını bozuyor ve bu sistemin, aynı yönde soğurmadan çok daha yüksek yayma sergilediğini gösteriyor. Bu fark, önceki deneylerden iki kat fazla ve termal diyotlar ile kızılötesi kamuflaj gibi teknolojilere kapı aralıyor. Buna “Sıradışı Malzeme: Emisyonda Zirveye Ulaşan Yenilik” diyebiliriz.
Emisyon ve absorpsiyon, 0 ile 1 arasında boyutsuz sayılardır; 0 mükemmel bir yansıtıcıyı ve 1 mükemmel bir kara cismi temsil eder. Kirchhoff’un termal radyasyon yasası, termal dengede bir nesnenin emisyon ve absorpsiyonunun eşit olduğunu belirtir, ancak bu sadece Lorentz karşılıklılığını takip eden sistemler için geçerlidir. Geçmiş on yılda, teorik çalışmalar, karşılıklılık bozulduğunda, ikinci termodinamik yasa ile çelişmeden Kirchhoff yasasının ihlal edilebileceğini göstermiştir. Bu teoriler, ışıkla asimetrik etkileşime giren malzemeler kullanarak daha yüksek emisyona sahip yayıcılar oluşturulabileceğini öne sürüyor. Araştırmacılar, bu özellikleri elde etmek için çeşitli yöntemler önermiştir.
2023 yılında, teorik bir öneriye dayanarak Kirchhoff yasasının ihlalini doğrudan deneysel olarak gösterildi. Magneto-optik bir malzeme olan indiyum arsenidi (InAs) tek katmanlı bir yapıyla kullanıldı. Bu işlemde yaklaşık 1 tesla (T) manyetik alan uygulayanarak, InAs’teki elektronların siklotron hareketi ve Lorentz karşılıklılığının bozulması tetiklendi. Ancak sonuçta da elde edilen emisyon ve absorpsiyon farkı 0.22 idi ve bant genişliği sınırlı kaldı.
Zhang ve ekibi, yaklaşık 5 T’lik güçlü bir manyetik alan ve özel bir fotonik yapı sayesinde daha büyük asimetri elde etti. Yeni cihaz, altın bir yüzey üzerine yerleştirilen doplanmış indiyum galyum arsenid katmanlarından oluşuyor. “Epsilon-sıfıra-yakın” durumda, Berreman modu adı verilen bir rezonans uyarılarak etkileşimler artırılıyor. Araştırmacılar, doping yoğunluklarını derinlikle artacak şekilde ayarlayarak geniş bir Berreman modu yelpazesine erişti. Daha önce benzer bir strateji doping azalarak kullanılmıştı.
Ekip, cihazlarının emisyon ve emme özelliklerini farklı dalga boyları ve açılar üzerinde ölçmek için açısal çözünürlüklü magnetotermal emisyon spektroskopisi kullandı. 5 T’lik bir manyetik alan altında, malzeme orta kızılötesi bantta (13–22 µm) geniş bir dalga boyu aralığında 0.43 kadar yüksek bir emisyon-emme farkı gösteriyor ve bu performansı geniş bir yayılma açısında sürdürüyor. Ekibin tasarımı, ters katmanlı versiyonundan daha iyi performans göstererek rezonans modlarının nasıl düzenlendiğinin önemini doğruluyor.
Yayılım ve soğurma arasındaki dengesizlik, karşılıklılıkla sınırlı teknolojilere olanak sağlar. Örneğin, bir güneş paneline enerji aktarımında, karşılıklı sistemler enerjiyi geri göndererek israf eder. Karşılıklı olmayan sistemler ise belirli bir yönde daha yüksek iletkenlik sağlayarak radyatif termal diyotlar oluşturabilir. Bu şekilde, enerji daha verimli aktarılabilir ve termal izler gizlenebilir.
Harici manyetik alan kullanımı, karşılıksız termal radyasyon için tek yöntem değildir. Manyetik Weyl yarı iletkenler, doğal manyetik düzenleri sayesinde dış alan olmadan bu özellikleri gösterebilir. Zaman modülasyonu ve doğrusal olmayan sistemler de asimetrik geçişlerle dengesiz termal davranış yaratabilir. Ancak, bu alanda daha fazla deneysel doğrulama gereklidir.
Sıradışı Malzeme
Alan geliştikçe, daha iyi radyatif ısı cihazları yapabiliriz ve yeni malzemelerle foton akışını kontrol ederek enerji üretimi ve bilgi işlemde ilerleyebiliriz. Bu, malzeme bilimi, fotonik ve termal bilimin kesişiminde heyecan verici bir alan sunuyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v18/123
