В современном мире научный прогресс зачастую зависит от переосмысления устоявшихся принципов, лежащих в основе естественных законов. Недавний прорыв в области теплового излучения, достигнутый исследователями из Пенсильванского университета, является ярким примером того, как можно открыть новые горизонты для технологий, изменив фундаментальный научный закон. В течение 165 лет неложным авторитетом в физике теплового излучения оставался закон Кирхгофа, который утверждает, что способность материала поглощать электромагнитное излучение при определённой длине волны и угле равна его способности излучать энергию в тех же условиях. Это правило всегда считалось непреложным и служило основой для понимания процессов теплообмена и излучения. Однако команда учёных во главе с Линсяо Чжу и Чженонгом Чжаном не только поставила под сомнение это утверждение, но и продемонстрировала значительное отклонение от закона Кирхгофа с мощным практическим потенциалом.
Исследование было проведено с использованием инновационных материалов на базе полупроводников, сформированных в тончайшие слои толщиной около двух микрометров — меньше, чем диаметр человеческого волоса. Такая уникальная структура позволяет излучать тепловую энергию на нескольких длинах волн одновременно, расширяя диапазон эффективности материала. Благодаря этому новому устройству исследователи смогли добиться контраста между поглощением и излучением в 0,43 — это показатель почти вдвое превышающий предыдущие эксперименты, которые достигали отметок около 0,22 и 0,34. Примечательно, что данное явление проявляется на широком спектральном диапазоне, охватывающем порядка десяти микрометров, что критически важно для практического использования технологии. Разрыв с законом Кирхгофа представляет собой не просто научный парадокс, но и настоящую революцию для индустрий, связанных с энергетикой.
В частности, в контексте солнечной энергетики, повышение эффективности преобразования солнечной энергии является одним из ключевых вызовов. Традиционные солнечные элементы, подчиняясь закону Кирхгофа, теряют часть энергии, излучая её обратно в направлении Солнца. Однако с помощью новых неравновесных эмиттеров можно перенаправить часть этого излучения в сторону, где оно будет эффективно поглощено дополнительными солнечными элементами. Такая технология способна значительно повысить общую эффективность систем фотогальваники, приблизив её к термодинамическим пределам, что ранее считалось невозможным. Одной из особенностей работы стала разработка уникального спектрофотометра, предназначенного для углового и магнитного анализа теплового излучения с высокой точностью.
Данное оборудование обеспечило измерения теплового излучения с учётом влияния сильных магнитных полей, что является ключом к пониманию и контролю неравновесных процессов излучения в материале. Именно наличие магнитного поля позволяет разрушать обратимость излучения, заложенную в классическом законе Кирхгофа. Таким образом, полученные результаты предоставляют не только экспериментальные подтверждения новаторской теории, но и демонстрируют пути её прикладного использования. Изменение фундаментального физического закона сопровождается широким спектром потенциальных применений помимо солнечной энергии. Тонкие плёнки с высокой несобираемой способность к неравновесному излучению могут существенно повысить эффективность систем теплообмена, улучшить работу инфракрасных сенсоров и камер, а также создать новые возможности для устройств, работающих на основе теплового излучения.
В частности, возможны разработки датчиков с повышенной чувствительностью и направленным излучением, что существенно расширит возможности мониторинга и управления в научно-исследовательских и промышленных областях. Кроме того, технология тонкоплёночных эмиттеров, способных переноситься на различные подложки, позволяет внедрять новые материалы в существующие устройства без существенных конструктивных изменений. Это открывает двери для более быстрой коммерциализации и внедрения разработок в реальных условиях промышленного производства, повышения энергетической эффективности и создания более экологичных технологий. Исследование финансировалось рядом престижных грантов, включая Национальный научный фонд США и институциональные поддержки Пенсильванского университета, что подчёркивает значимость и перспективность данного направления. Продолжение работы планируется с целью расширения спектра материалов и изучения дополнительных факторов, влияющих на нарушение закона Кирхгофа.
Перспективы также связаны с разработкой систем управления тепловым излучением на маломасштабном уровне с возможностью динамической настройки свойств материалов. Таким образом, открытие, совершённое исследователями Пенсильванского университета, представляет собой важный шаг в развитии фундаментальной науки и технологий. Переписывая устоявшийся закон теплового излучения, они не только бросают вызов классическим представлениям, но и открывают широкие возможности для повышения эффективности энергосистем, создания новых сенсорных устройств и улучшения технологий теплораспределения. Это свидетельствует о том, что даже спустя более полутора веков после формулировки классического закона наука продолжает развиваться, и за счёт новых подходов может достигать революционных результатов. Акцент смещения баланса излучения и поглощения способствует развитию новой научной парадигмы — управления энергией на квантовом и макроскопическом уровнях.
В будущем такие достижения могут стать фундаментом для создания «умных» энергетических систем, способных динамически перенаправлять и использовать энергию с максимальной эффективностью, тем самым ответственней относиться к природным ресурсам и уменьшать негативное влияние на окружающую среду. Открытие команды Пенсильванского университета — подтверждение того, что научные исследования и инновации продолжают оставаться движущей силой прогресса, приносящей новые знания и технологии, способные трансформировать привычные подходы в инженерии, энергетике и науке в целом.
