美國賓夕法尼亞州立大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種特殊的多層超材料，在強(qiáng)磁場作用下，其紅外光發(fā)射強(qiáng)度顯著超過吸收強(qiáng)度，為收集太陽能、開發(fā)熱隱身技術(shù)開辟了新路徑。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《物理評論快報(bào)》。

了解材料如何吸收和發(fā)射紅外光（熱）是諸多科學(xué)和工程研究領(lǐng)域的核心。1859年，德國物理學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫提出的熱輻射定律指出：在特定條件下，材料的紅外光吸收率與發(fā)射率始終相等。這一沿用160余年的“互易性”定律已被認(rèn)為是普遍適用的定律，指導(dǎo)科學(xué)家設(shè)計(jì)和控制熱輻射器件的方法。

圖片:365953_2b68bffd-e37c-42ec-b7ca-eb33c84aa761copy.jpg

處于熱平衡狀態(tài)的物體通常以相同的速率發(fā)射和吸收熱輻射。

然而，在過去十年間，科學(xué)家開始探索可能違反基爾霍夫定律的機(jī)制：非互易性。例如，在有外加磁場或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，一些材料或結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生非互易性。2023年，科學(xué)家將單層磁光材料砷化銦（InAs）置于約1特斯拉（略低于MRI儀器產(chǎn)生的磁場，但超地球磁場強(qiáng)約10萬倍）的強(qiáng)磁場中，成功實(shí)現(xiàn)了非互易性。盡管這一成果證實(shí)了理論預(yù)測，但非互易性效果甚微。

在最新研究中，團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，首次實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)非互易熱發(fā)射——材料的發(fā)射率比吸收率高出43%，創(chuàng)下該領(lǐng)域最高紀(jì)錄。

團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了由5層電子摻雜銦鎵砷（InGaAs）制成的“超材料”。每層InGaAs的厚度約為440納米，且摻雜濃度隨層數(shù)的增加而增加。隨后，他們將InGaAs轉(zhuǎn)移到硅基板上，并使用定制的角分辨磁熱發(fā)射光譜儀對樣品進(jìn)行研究。

測試結(jié)果顯示，在267℃高溫環(huán)境配合5特斯拉超強(qiáng)磁場，新材料展示出迄今最高的非互易性，且在13—23微米寬光譜范圍保持穩(wěn)定性能。