[논문 리뷰] Overcoming black body radiation limit in free space: metamaterial "thermal black hole"

Stanislav I. Maslovski, Constantin Simovski외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 15.

Thermal Radiation and Cooling Technologies인용 수 3

한 줄 요약

논문은 유한하고 등방성인 발열체에서 잠재적인 포논 터널링을 통해 어두운 모드를 이용하여 자유공간에서 플랑크 블랙바디 복사 한계를 초월하는 메타물질 기반 '열 블랙홀'을 제안한다. 이는 열역학을 위반하지 않으면서도 단위를 초월하는 초플랑크 스펙트럼 발열도를 실현하며, 설계된 광학 공진과 원거리 복사 강화에 의해 가능해진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자유공간에서 스펙트럼 발열도에 대해 플랑크 법칙이 절대 상한선을 부여한다는 오랜 믿음을 도전하기 위해.
• 유한하고 등방성인 발열체가 블랙바디 복사 한계를 초월할 수 있는 물리적 조건을 규명하기 위해.
• 어두운 모드 공진을 통해 초플랑크 복사를 실현하는 '열 블랙홀'의 이론적 프레임워크와 물리적 실현 가능성을 제안하기 위해.
• 초플랑크 복사가 열역학 제2법칙과 수정된 키르히호프 복사 법칙과 어떻게 조화를 이룰 수 있는지 설명하기 위해.

제안 방법

• 유한 크기의 등방성 발열체에서의 포논 방출을 전자기 이론과 공진 모드 결합을 이용한 이론적 분석을 통해 자유공간에서의 복사 거동을 분석한다.
• 비방사성, 붕괴하는 모드인 어두운 모드를 식별하여 특정 기하학적 및 물질 조건 하에서 원거리 영역으로의 공진 터널링이 가능함을 규명한다.
• 1을 초월하는 발열도 향상을 정량화하기 위해 효과적 스펙트럼 발열도를 측정 척도로 사용한다.
• 발열도 >1임에도 불구하고 열역학 원칙에 부합하기 위해 수정된 키르히호프 복사 법칙을 적용한다.
• 메타물질 구조에서의 광학 공진을 수치적·해석적으로 모델링하여 강력한 원거리 복사 강화를 달성한다.
• 필요한 어두운 모드를 지닌 메타물질의 물리적 구조를 설계하여 원거리 영역 복사 효율을 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유공간에서 유한하고 등방성인 발열체가 주어진 온도와 파장에서 플랑크 블랙바디 복사 한계를 초월할 수 있는가?
• RQ2 초플랑크 복사가 열역학 제2법칙을 위반하지 않도록 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 어두운 모드는 공진 포논 터널링과 원거리 복사 강화에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 유한한 발열체의 효과적 스펙트럼 발열도가 1을 초월하면서도 열역학적으로 일관성을 유지할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ5 메타물질에서 어떤 구조적 및 물질적 구성이 功能적인 '열 블랙홀'을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 자유공간에서 유한한 발열체의 복사 에너지 스펙트럼 밀도는 임의로 높아질 수 있으며, 플랑크 블랙바디 한계를 초월할 수 있다.
• 어두운 모드를 통한 공진 포논 터널링은 광학적으로 크지만 유한한 발열체에서도 블랙바디 한계를 훨씬 초월하는 복사를 가능하게 한다.
• 제안된 열 블랙홀의 효과적 스펙트럼 발열도는 1을 초월할 수 있으나 열역학 제2법칙을 위반하지 않는다.
• 시스템은 수정된 키르히호프 복사 법칙과 일관성을 유지하여 열역학적으로 타당한 결과를 도출한다.
• 필요한 공진 어두운 모드를 지닌 메타물질을 설계하여 열 블랙홀의 물리적 실현 가능성을 제시한다.
• 이 메커니즘은 어두운 모드를 복사 채널에 제어적으로 결합함으로써 강력한 원거리 복사 강화를 실현한다.