Forscher entwickeln neuen Ansatz zur Kontrolle der Wärmeemission

Das National Graphene Institute der Universität Manchester hat ein internationales Team angeführt, das einen neuartigen Ansatz zur Kontrolle der thermischen Emission entwickelt hat. Dieser wird in einem Artikel in Wissenschaft. Dieser Durchbruch bietet neue Designstrategien jenseits herkömmlicher Materialien mit vielversprechenden Auswirkungen auf das Wärmemanagement und die Tarntechnologien.

Das internationale Team, zu dem auch das Penn State College of Engineering, die Koc University in der Türkei und die Technische Universität Wien in Österreich gehörten, hat eine einzigartige Schnittstelle entwickelt, die die thermischen Emissionen von zwei Oberflächen mit unterschiedlichen geometrischen Eigenschaften lokalisiert und so einen „perfekten“ thermischen Emitter schafft. Diese Plattform kann thermisches Licht aus spezifischen, begrenzten Emissionsbereichen mit Einheitsemissionsgrad aussenden.

Professor Coskun Kocabas, Professor für 2D-Gerätematerialien an der Universität Manchester, erklärt: „Wir haben eine neue Klasse thermischer Geräte demonstriert und dabei Konzepte aus der Topologie verwendet – einem Zweig der Mathematik, der sich mit den Eigenschaften geometrischer Objekte befasst – und aus der nicht-hermiteschen Photonik, einem florierenden Forschungsgebiet, das sich mit Licht und seiner Wechselwirkung mit Materie bei Verlusten, optischer Verstärkung und bestimmten Symmetrien befasst.“

Das Team sagte, die Arbeit könne thermische Photonikanwendungen voranbringen, um thermische Emissionen besser zu erzeugen, zu kontrollieren und zu erkennen. Eine Anwendung dieser Arbeit könnte in Satelliten liegen, sagte Co-Autor Prof. Sahin Ozdemir, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik an der Penn State.

Angesichts der starken Hitze- und Lichteinwirkung könnten mit dieser Schnittstelle ausgestattete Satelliten die absorbierte Strahlung mit einem Einheitsemissionsgrad entlang eines speziell dafür vorgesehenen Bereichs abgeben, der von den Forschern unglaublich schmal und in der für notwendig erachteten Form konzipiert wurde.

Laut Ozdemir war es jedoch nicht ganz einfach, an diesen Punkt zu gelangen. Er erklärte, dass ein Teil des Problems darin besteht, nur an der Schnittstelle einen perfekten thermischen Absorber-Emitter zu schaffen, während die übrigen Strukturen, die die Schnittstelle bilden, „kalt“ bleiben, was bedeutet, dass weder Absorption noch Emission stattfindet.

„Der Bau eines perfekten Absorber-Emitters – eines schwarzen Körpers, der die gesamte einfallende Strahlung einwandfrei absorbiert – erwies sich als gewaltige Aufgabe“, sagte Ozdemir.

Das Team entdeckte jedoch, dass man ein solches System mit einer gewünschten Frequenz herstellen kann, indem man das Licht in einem optischen Hohlraum einfängt, der aus einem ersten teilweise reflektierenden Spiegel und einem zweiten vollständig reflektierenden Spiegel besteht: Das vom ersten Spiegel teilweise reflektierte einfallende Licht und das Licht, das erst reflektiert wird, nachdem es zwischen den beiden Spiegeln gefangen wurde, heben sich genau auf. Da die Reflexion somit vollständig unterdrückt wird, wird der Lichtstrahl im System gefangen, perfekt absorbiert und in Form von Wärmestrahlung abgegeben.

Um eine solche Schnittstelle zu erreichen, entwickelten die Forscher einen Hohlraum, der aus einer dicken Goldschicht besteht, die einfallendes Licht perfekt reflektiert, und einer dünnen Platinschicht, die einfallendes Licht teilweise reflektieren kann. Die Platinschicht fungiert auch als breitbandiger thermischer Absorber-Emitter. Zwischen den beiden Spiegeln befindet sich ein transparentes Dielektrikum namens Parylen-C.

Die Forscher können die Dicke der Platinschicht nach Bedarf anpassen, um den kritischen Kopplungszustand herbeizuführen, in dem das einfallende Licht im System gefangen und perfekt absorbiert wird, oder um das System von der kritischen Kopplung weg in Richtung einer unter- oder überkritischen Kopplung zu bewegen, in der keine perfekte Absorption und Emission stattfinden kann.

„Nur indem wir zwei Platinschichten mit Dicken kleiner und größer als die kritische Dicke über dieselbe dielektrische Schicht heften, erzeugen wir eine topologische Schnittstelle zweier Hohlräume, in der perfekte Absorption und Emission eingeschlossen sind. Entscheidend dabei ist, dass sich die Hohlräume, die die Schnittstelle bilden, nicht im kritischen Kopplungszustand befinden“, sagte Erstautor M. Said Ergoktas, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Manchester.

Die Entwicklung stellt das herkömmliche Verständnis der thermischen Emission in diesem Bereich in Frage, so Co-Autor Stefan Rotter, Professor für theoretische Physik an der Technischen Universität Wien: „Traditionell ging man davon aus, dass Wärmestrahlung aufgrund ihrer inkohärenten Natur keine topologischen Eigenschaften haben kann.“

Laut Kocabas ist ihr Ansatz zum Aufbau topologischer Systeme zur Strahlungskontrolle für Wissenschaftler und Ingenieure leicht zugänglich.

„Das kann so einfach sein wie die Erzeugung eines Films, der in zwei Bereiche mit unterschiedlicher Dicke unterteilt ist, so dass eine Seite die unterkritische Kopplung erfüllt und die andere sich im überkritischen Kopplungsbereich befindet, wodurch das System in zwei unterschiedliche topologische Klassen unterteilt wird“, sagte Kocabas.

Die realisierte Schnittstelle weist eine perfekte thermische Emissivität auf, die durch die Reflexionstopologie geschützt ist und „Robustheit gegenüber lokalen Störungen und Defekten aufweist“, so Co-Autor Ali Kecebas, ein Postdoktorand an der Penn State.

Das Team bestätigte die topologischen Merkmale des Systems und seine Verbindung zur bekannten nicht-hermiteschen Physik und ihren spektralen Entartungen, den sogenannten Ausnahmepunkten, durch experimentelle und numerische Simulationen.

„Dies ist nur ein kleiner Einblick in das, was man im thermischen Bereich mit einer nichthermitischen Topologie erreichen kann. Eine Sache, die noch weiter erforscht werden muss, ist die Beobachtung der beiden gegenläufigen Modi an der Schnittstelle, die unsere Theorie und numerische Simulationen vorhersagen“, sagte Kocabas.