[論文レビュー] Bounds on absorption and thermal radiation for arbitrary objects

Sean Molesky, Weiliang Jin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、光学定理の体積制限と幾何学的固有の有限サイズ効果を組み合わせることで、任意の物体における吸収および熱放射の根本的限界を導出する。これらの限界は、波長より小さい粒子における体積比例からレイトオプティクス極限における面積比例への遷移を捉えており、先行する限界を凌駕し、トポロジー最適化構造と整合する。

ABSTRACT

We derive bounds on angle-integrated absorption and thermal radiation for arbitrary bodies (of prescribed material susceptibility and domain size) that account for both the per-volume limit on polarization response set by the optical theorem and geometry specific finite size constraints imposed by the interplay of material and radiative losses. We then consider these bounds in a number of common settings, comparing against prior limits as well as nearly optimal structures discovered using topology optimization, and show that they properly capture the transition from the volume scaling characteristics of deeply subwavelength objects (nanoparticle radius or thin film thickness) to the area scaling of the blackbody in the ray optics limit.

研究の動機と目的

• 与えられた材料感受性およびサイズを有する任意の物体に対して、角度統合吸収および熱放射の厳密な限界を確立すること。
• 光学定理による体積あたりの極化限界と、材料損失および放射損失の相互作用に起因する有限サイズ幾何的制約を両方組み込むこと。
• 熱放射における、波長より小さい（体積比例）から巨視的（面積比例）への挙動の遷移を分析すること。
• 既存の理論的限界およびトポロジー最適化によって得られたほぼ最適な構造と比較して、これらの限界を評価すること。

提案手法

• 導出は、単位体積あたりの極化応答に根本的限界を設ける光学定理と、材料損失と放射損失の相互作用に起因する幾何的制約を組み合わせる。
• 有限サイズ効果を考慮するため、物体の形状とサイズが電磁モードの分布およびエネルギー散逸に与える影響を検討する。
• 材料感受性および物理的寸法が与えられた場合に、任意の幾何形状および材料に対して有効な吸収および熱放射の限界を定式化する。
• ナノ粒子や薄膜などの代表的な構成において限界を評価し、既知の限界および最適化設計とのスケーリング行動を比較する。
• 変分的枠組みを用いて制約下での電磁応答を最適化し、エネルギー吸収および放射のタイトな上界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特に波長より小さい領域から巨視的領域への遷移において、任意の物体の吸収および熱放射がサイズにどのように依存するか？
• RQ2 材料応答と有限サイズ幾何学の両方が考慮された場合の、吸収および熱放射の根本的限界は何か？
• RQ3 導出された限界は、先行する理論的限界およびトポロジー最適化による構造とどのように比較されるか？
• RQ4 限界は、ナノ粒子における体積比例からブラックボディに類似した系における面積比例への移行をどの程度正確に捉えているか？
• RQ5 理想化された対称性や無限大の延長を仮定せずに、多様な幾何形状および材料に普遍的に適用可能か？

主な発見

• 導出された限界は、深く波長より小さい物体における体積比例からレイトオプティクス極限における面積比例への遷移を正確に捉えており、ブラックボディ行動と整合する。
• 光学定理による体積制約と幾何学的固有の有限サイズ効果を両方組み込むことで、従来の手法よりもタイトでより物理的に現実的な限界を達成する。
• トポロジー最適化構造と比較して、限界はほぼ最適な設計の性能と密接に一致しており、そのタイトさが検証される。
• 限界は任意の幾何形状および材料に対して有効であり、対称的または理想化された構成を超えた一般性を示す。
• フレームワークは、材料応答を最大化しても、有限サイズ効果が中間スケール系における熱放射を顕著に制限することを明らかにする。