[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文提出一种基于超材料的‘热黑洞’，通过在有限、各向同性的辐射体中利用暗模的共振光子隧穿效应，在自由空间中超越了普朗克黑体辐射极限。它展示了超普朗克的光谱发射率——超过单位一——且不违反热力学定律，其机制依赖于设计的光子共振与远场辐射增强。

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.

研究动机与目标

• 挑战长期以来认为普朗克定律在自由空间中对光谱发射率施加绝对上限的观念。
• 确定有限、各向同性辐射体在何种物理条件下可超越黑体辐射极限。
• 提出一种理论框架与物理实现方案，构建一种通过暗模共振实现超普朗克发射的‘热黑洞’。
• 将超普朗克发射与热力学第二定律及修正的辐射基尔霍夫定律相协调。

提出的方法

• 基于电磁理论与共振模耦合，对自由空间中有限尺寸、各向同性辐射体的光子辐射进行理论分析。
• 识别出可在外场中通过特定几何与材料条件实现共振隧穿的非辐射、倏逝模（即暗模）。
• 采用有效光谱发射率作为度量，量化发射率超过单位一的增强效应。
• 应用修正的基尔霍夫定律，确保尽管发射率 >1，仍与热力学原理保持一致。
• 通过数值与解析建模，对超材料结构中的光子共振进行研究，以实现强远场辐射增强。
• 设计一种支持所需暗模并能实现高效远区辐射的物理超材料结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在给定温度与波长下，自由空间中的有限、各向同性辐射体能否超越普朗克黑体辐射极限？
• RQ2 何种物理机制可实现超普朗克发射而不违反热力学第二定律？
• RQ3 暗模如何促进共振光子隧穿与远场辐射增强？
• RQ4 在何种条件下，有限辐射体的有效光谱发射率可超过单位一，同时保持热力学一致性？
• RQ5 超材料中的何种结构与材料配置可实现功能性的‘热黑洞’？

主要发现

• 有限辐射体在自由空间中的辐射功率谱密度可被任意提高，超越普朗克黑体极限。
• 通过暗模实现的光子共振隧穿，可使发射远超黑体极限，即使对于光学尺寸较大但有限的辐射体亦然。
• 所提出的热黑洞的有效光谱发射率可超过单位一，且不违反热力学第二定律。
• 该系统与修正的基尔霍夫辐射定律保持一致，确保热力学有效性。
• 提出了一种基于工程化超材料的热黑洞物理实现方案，其可支持所需的共振暗模。
• 该机制通过受控耦合暗模与辐射通道，实现强远场辐射增强。