[논문 리뷰] Nonreciprocal thermal radiation in ultrathin magnetized epsilon-near-zero semiconductors

Mengqi Liu, Shuang Xia외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 09.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 47인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 초박막 자화된 InAs 반도체 필름에서 에프실론-근접영역(ENZ) 주파수에서, 처음으로 기르호프의 법칙 위반을 실험적으로 입증한다. 중간 정도의 자기장에서 스펙트럼 방사율-흡수율 차이 |α−e| > 0.6을 달성하였다. 자화된 ENZ 모드를 활용하여, 단일 대역, 双대 대역, 밴드폭 전체에 걸친 다양한 구성에서 조절 가능한 비상호성 열복사가 실현되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상호성 있는 열복사 시스템에서 기르호프의 법칙 위반을 실험적으로 입증하는 것.
• 초박막 반도체 필름에서 큰 비상호성 방사율-흡수율 차이를 달성하는 것.
• 자화된 ENZ 효과를 활용하여 여러 스펙트럼 대역에서 조절 가능한 비상호성 열복사 소자를 설계하고 실현하는 것.
• 열광발전 및 복사 냉각 분야에서 차세대 비상호성 에너지 변환 장치를 위한 확장 가능한 플랫폼을 제공하는 것.

제안 방법

• 특정 주파수에서 공학적으로 설계된 에프실론-근접영역(ENZ) 성질을 가진 초박막 InAs 필름(<λ/40)의 활용.
• 외부 자기장을 적용하여 자기플라스모닉 효과를 유도하고 시간 역행 대칭성을 깨는 것.
• 자기장 조절을 통해 비대칭적으로 복사되는 베르레만 모드 및 표면 ENZ 모드를 자극하는 것.
• 비상호성의 정도를 정량화하기 위해 각도 및 스펙트럼적 방사율과 흡수율을 측정하는 것.
• 단일 대역, 이중 대역, 밴드폭 전체에 걸친 비상호성 복사 방출을 달성하기 위해 다층 자화된 ENZ 구조를 설계하는 것.
• 유한요소 시뮬레이션과 실험적 검증을 통한 비상호성 행동의 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초박막 자화된 ENZ 반도체에서 비상호성 열복사가 실험적으로 관찰될 수 있는가?
• RQ2 중간 정도의 자기장 조건에서 방사율-흡수율 차이 |α−e|는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ3 비상호성 복사 방출은 단일 대역, 이중 대역, 밴드폭 전체 구성에서 스펙트럼적으로 조절 가능한가?
• RQ4 자화된 ENZ 모드가 열복사에서 비대칭 복사와 비상호성을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 초박막 자화된 InAs 필름에서 기르호프의 법칙을 위반하는 비상호성 열복사의 첫 실험적 관측을 달성하였다.
• 중간 정도의 외부 자기장 조건에서 |α−e| > 0.6인 큰 방사율-흡수율 차이를 실험적으로 입증하였다.
• 자화된 ENZ 모드는 비대칭 복사를 지원하여 비상호성 복사 스펙트럼의 제어를 가능하게 하였다.
• ENZ 빌딩 블록를 활용하여 단일 대역, 이중 대역, 밴드폭 전체에 걸친 조절 가능한 비상호성 복사 방출이 실현되었다.
• 초박막 구조(<λ/40)는 ENZ 주파수에서 강한 전자기장 봉쇄 효과를 제공하고 비상호성의 향상을 도모한다.
• 이 결과는 에너지 수확 및 복사 냉각 응용 분야에서 비상호성 열복사 소자를 설계하는 데 기초를 마련하였다.