[論文レビュー] Nonreciprocal thermal radiation in ultrathin magnetized epsilon-near-zero semiconductors

Mengqi Liu, Shuang Xia+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2022

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 47被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、初めてとして、超薄膜磁化インジウム砒素半導体膜がε近零（ENZ）周波数でキルヒホッフの法則に背くことを実験的に示した。中程度の磁場下で、スペクトル的放射率・吸収率の差 |α−e| > 0.6 を達成した。磁化ENZモードを活用することで、単帯域、二帯域、広帯域の構成において、多様で調整可能な非相反的熱放射を実現した。

ABSTRACT

Spectral/angular emissivity $e$ and absorptivity $α$ of an object are widely believed to be identical by Kirchhoff's law of thermal radiation in reciprocal systems, but this introduces an intrinsic and inevitable energy loss for energy conversion and harvesting devices. So far, experimental evidences of breaking this well-known balance are still absent, and previous theoretical proposals are restricted to narrow single-band nonreciprocal radiation. Here we observe for the first time, to our knowledge, the violation of Kirchhoff's law using ultrathin ($<λ/40$, $λ$ is the working wavelength) magnetized InAs semiconductor films at epsilon-near-zero (ENZ) frequencies. Large difference of $|α-e|>0.6$ has been experimentally demonstrated under a moderate external magnetic field. Moreover, based on magnetized ENZ building blocks supporting asymmetrically radiative Berreman and surface ENZ modes, we show versatile shaping of nonreciprocal thermal radiation: single-band, dual-band, and broadband nonreciprocal emission spectra at different wavebands. Our findings of breaking Kirchhoff's law will advance the conventional understanding of emission and absorption processes of natural objects, and lay a solid foundation for more comprehensive studies in designing various nonreciprocal thermal emitters. The reported recipe of diversely shaping nonreciprocal emission will also breed new possibilities in renovating next-generation nonreciprocal energy devices in the areas of solar cells, thermophotovoltaic, radiative cooling, etc.

研究の動機と目的

• 相反的熱放射系におけるキルヒホッフの法則の実験的証明。
• 超薄膜半導体膜における大きな非相反的放射率・吸収率差の達成。
• 磁化ENZ効果を用いて、複数のスペクトル帯域にわたる調整可能な非相反的熱放射源の設計および実現。
• 次世代の非相反的エネルギー変換デバイス、特に熱光電変換および放射冷却用途のスケーラブルなプラットフォームの提供。

提案手法

• 特定周波数で設計されたε近零（ENZ）特性を有する超薄膜インジウム砒素膜（<λ/40）の利用。
• 外部磁場を適用して磁化プラズモン効果を誘発し、時間反転対称性を破る。
• 磁場の調整により非対称に放射するベレマンモードおよび表面ENZモードを励起。
• 非相反性を定量化するため、角度およびスペクトル的放射率および吸収率の測定。
• 単帯域、二帯域、広帯域の非相反的放射を実現するための多層磁化ENZ構造の設計。
• 有限要素シミュレーションと実験的検証を組み合わせて、非相反的挙動の確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄膜磁化ENZ半導体において、非相反的熱放射が実験的に観測可能か。
• RQ2 中程度の磁場下で、放射率・吸収率差 |α−e| はどの程度向上できるか。
• RQ3 非相反的放射は、単帯域、二帯域、広帯域の構成においてスペクトル的に調整可能か。
• RQ4 磁化ENZモードは、熱放射における非対称放射および非相反性をどのように実現するか。

主な発見

• 超薄膜磁化インジウム砒素膜において、キルヒホッフの法則に背く非相反的熱放射の最初の実験的観測を達成した。
• 中程度の外部磁場下で、実験的に大きな放射率・吸収率差 |α−e| > 0.6 を示した。
• 磁化ENZモードは非対称放射をサポートし、非相反的放射スペクトルの制御を可能にする。
• ENZ素子を用いて、単帯域、二帯域、広帯域の構成において、調整可能な非相反的放射を実現した。
• 超薄膜設計（<λ/40）により、ENZ周波数で強い場の閉じ込めと強化された非相反性が実現された。
• 本結果は、エネルギー回収および放射冷却用途の非相反的熱放射源の設計に基盤を提供する。