Nově popsaný metamateriál dokáže v magnetickém poli vyzářit větší množství tepla, než sám absorbuje. Díky tomu porušuje jeden z Kirchhoffových zákonů, který je považován za základní stavební kámen současné fyziky.
Kirchhoffův zákon tepelného záření byl německým fyzikem zformulován v druhé polovině 19. století. Jeho podstatou je, že při konstantní teplotě se emisivita materiálu (tj. schopnost tělesa vyzařovat teplo) rovná jeho absorpčnímu koeficientu (tj. schopnost teplo přijímat), a to při každé vlnové délce a úhlu. V praxi to znamená, že povrch, který silně vyzařuje například infračervené záření, ho také stejně dobře absorbuje.
A novel metamaterial exhibits strong nonreciprocal thermal emission, violating Kirchhoff’s law by up to 43% and enabling new possibilities in thermal energy control
Letter: https://t.co/7EMsahMFsA
Viewpoint: https://t.co/qArXFUD0k5— Physical Review Letters (@PhysRevLett) June 30, 2025
Materiál vyloučí více tepla, než ve skutečnosti přijme
Vědcům se však podařilo vytvořit materiál, který tento zákon porušuje. Jde o látku tvořenou pěticí ultratenkých vrstev polovodiče InGaAs o tloušťce 440 nanometrů. Z chemického pohledu tedy materiál tvoří indium, galium a arsen. Jednotlivé vrstvy byly dále postupně obohaceny elektrony a umístěny na křemíkovou základnu. Záhřevem v magnetickém poli o síle 5 tesla pak materiál vyzařoval o 43 % více infračerveného záření v jednom směru, než kolik absorboval. Teplo bylo tudíž nuceno proudit pouze jedním směrem a Kirchhoffův zákon zde přestal platit. Vědci tak demonstrovali existenci silné nereciproční tepelné emise. Hodnota této nereciprocity – 0,43 – pak tvoří přibližně dvojnásobek maxima, které kdy bylo při podobných experimentech naměřeno.
Jak již bylo prokázáno v některých dřívějších studiích, porušení této symetrie vyžaduje přítomnost magnetického pole. Dosavadní měření pak sice již v minulosti potvrdily existenci nereciprocity v rámci absorpce a emise tepla, šlo však pouze o velmi slabé efekty, jichž bylo navíc možno dosáhnout pouze při specifických vlnových délkách a úhlech. Tyto magnetooptické konstrukce tak dosahovaly pouze nepatrné nerovnováhy mezi emisí a absorpcí za velmi omezených podmínek. Nový úspěch však dokazuje, že umělé materiály mohou produkovat efektivní ednosměrné tepelné emitory.
Nový metamateriál představuje zásadní průlom v oboru materiálových věd. Foto: Pexels (ilustrační)
Praktické využití objevu
Podobné nereciproční vyzařování tepla by mohlo umožnit vznik nových typů zařízení, jako jsou například jednosměrné tepelné diody. Další možností využití je výroba solární termofotovoltaiky, kde by kromě solární energie bylo možné zužitkovat i odpadní teplo. Potenciálního zdokonalení by se tak mohly dočkat prakticky veškeré technologie pracující s řízením tepla.
