[論文レビュー] Overcoming black body radiation limit in free space: metamaterial "thermal black hole"

Stanislav I. Maslovski, Constantin Simovski+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2014

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、有限で等方的な放射体におけるダークモードを介した共鳴光子トンネル効果を活用することで、自由空間においてプランク黒体放射の上限を超えるメタマテリアルベースの「熱的ブラックホール」を提案する。これは熱力学を破らないまま、1を超えるスーパープランクスペクトル放射率を実現する。光子の共鳴トンネル効果と遠方放射の増幅によって実現される。

ABSTRACT

Here, we theoretically demonstrate that the power spectral density of radiation at a specific wavelength produced by a of finite dimensions set up in free space under a fixed temperature can be made arbitrary high. Essentially, we refute the widespread belief that Planck's law sets a hard upper on the spectral density of power emitted by a hot macroscopic body. We prove that radiation above this limit is possible even for optically large (but finite) isotropic emitters, by a process of resonant tunneling of photons associated with emitter's dark modes, which are irradiated to far zone under certain conditions that we identify. We designate the emitter satisfying these conditions as thermal hole, in contrast to the usual term black body which is commonly attributed to an object which absorbs all rays incident on its surface. We show that although the effective spectral emissivity of a hole can be much greater than unity, it contradicts neither the second law of thermodynamics, nor properly amended Kirchhoff's law of radiation. We propose a physical realization of such a truly super-Planckian emitter.

研究の動機と目的

• 自由空間におけるスペクトル放射率にプランクの法則が絶対的な上限を課すという長年の信念に挑戦すること。
• 有限で等方的な放射体が、どのような物理的条件下で黒体放射の上限を超えることができるかを特定すること。
• ダークモード共鳴を介してスーパープランク放射を達成する『熱的ブラックホール』の理論的枠組みと物理的実装を提案すること。
• スーパープランク放射が第二法則熱力学および修正されたキルヒホッフの放射法則とどのように整合するかを解明すること。

提案手法

• 電磁気学的理論と共鳴モード結合を用いた、自由空間における有限サイズで等方的な放射体からの光子放出の理論的分析。
• 非放射的で減衰するモードであるダークモードを同定し、特定の幾何的・材料的条件下で遠方領域への共鳴トンネルが可能であることを特定。
• 1を超える放射強度増幅を定量的に評価するための有効スペクトル放射率を指標として用いる。
• 放射率 >1 であっても熱力学的整合性を保つために、修正されたキルヒホッフの法則を適用する。
• メタマテリアル構造におけるフォトニクス共鳴の数値的・解析的モデリングにより、強力な遠方放射増幅を実現する。
• 必要なダークモードを支持し、効率的な遠方放射を可能にする物理的メタマテリアル構造の設計。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由空間における有限で等方的な放射体は、特定の温度と波長において、プランク黒体放射の上限を超えることができるか？
• RQ2 第二法則熱力学に反することなく、スーパープランク放射を実現する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 ダークモードはどのように共鳴光子トンネルと遠方放射増幅に寄与するか？
• RQ4 有効スペクトル放射率が1を超える状態であっても、熱力学的に整合的であるための条件は何か？
• RQ5 メタマテリアルにおけるどのような構造的・材料的配置が機能的な「熱的ブラックホール」を実現できるか？

主な発見

• 自由空間における有限放射体からの放射のパワー・スペクトル密度は、任意に高く設定可能であり、プランク黒体放射の上限を超えることができる。
• ダークモードを介した光子の共鳴トンネル効果により、光学的に大きなが有限な放射体に対しても、黒体放射の上限をはるかに超える放射が可能になる。
• 提案された熱的ブラックホールの有効スペクトル放射率は、1を超えるが、第二法則熱力学に反しない。
• 修正されたキルヒホッフの法則と整合性を保ち、熱力学的妥当性が維持される。
• 必要な共鳴的ダークモードを支持するように設計されたメタマテリアルを用いて、熱的ブラックホールの物理的実装が提案された。
• このメカニズムにより、ダークモードと放射チャネルを制御的に結合することで、強力な遠方放射増幅が実現可能である。