Gebrochene Symmetrien bieten Möglichkeiten für das thermische Emissionsmanagement

Strahlungswärmeübertragung ist ein allgegenwärtiger physikalischer Prozess in unserem Universum. Jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt tauscht Wärmeenergie mit der Umgebung aus. In der Physik entsteht thermische Emission aus elektromagnetischer Strahlung, die durch die thermische Bewegung geladener Teilchen in Materialien induziert wird.

Das Plancksche Gesetz charakterisiert die spektrale Verteilung der emittierten Leistung. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik regelt die Irreversibilität der Energieübertragung bei thermischer Emission. Thermische Emission ist tendenziell breitbandig, inkohärent, omnidirektional und unpolarisiert. Das liegt an schwankenden elektromagnetischen Feldern, die thermisch im Inneren von Materialien erzeugt werden.

Die rasante Entwicklung der Nanophotonik hat Forscher gezeigt, dass thermische Emission, ähnlich der spontanen Lichtemission, konstruiert oder manipuliert werden kann. Dies kann unter Verwendung künstlicher oder natürlich vorkommender Mikro-/Nanostrukturen erfolgen. Schmalbandige, gerichtete oder polarisierte thermische Emissionen werden alle unter Verwendung von Metamaterialien vorgeschlagen und experimentell demonstriert. Fruchtbare Errungenschaften treiben die Entwicklung der thermischen Photonik voran, verbessern die Energienutzungseffizienz und revolutionieren viele Energieanwendungen.

In einem neuen Artikel, erschienen in eLightein kollaboratives Team von Wissenschaftlern der Stanford University und des Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, unter der Leitung von Prof. Shanhui Fan und Prof. Wei Li, betonte die Bedeutung gebrochener Symmetrien für die nanophotonische Kontrolle der thermischen Emission und einen Überblick über verschiedene physikalische Phänomene und verwandte Anwendungen.

Symmetrien sind von grundlegender Bedeutung in der Physik. Eine Symmetrie eines physikalischen Systems ist ein physikalisches Merkmal, das bei einer gewissen Transformation unveränderlich bleibt. Die Transformationen können kontinuierlich oder diskret sein, was zu den entsprechenden Arten von Symmetrien führt. Gruppen beschreiben mathematisch Symmetrien. Kontinuierliche Symmetrien werden durch Lie-Gruppen beschrieben, während endliche Gruppen diskrete Symmetrien beschreiben. Die kontinuierlichen Symmetrien eines physikalischen Systems sind eng mit den Erhaltungsgesetzen verbunden, die dieses System charakterisieren.

Auch bei der Wärmestrahlung spielen Symmetrien eine wichtige Rolle. Zu den relevanten Symmetrien zählen dabei die geometrischen und nicht-geometrischen. Diese Symmetrien haben wichtige Auswirkungen auf die Wärmestrahlung. Beispielsweise ist jeder thermische Emitter durch zwei Schlüsselgrößen gekennzeichnet: das winkelförmige spektrale Absorptionsvermögen und das winkelförmige spektrale Emissionsvermögen. Es ist bekannt, dass die Existenz von geometrischen und nicht-geometrischen Symmetrien direkte Beschränkungen auferlegt.

Umgekehrt kann das Brechen dieser Symmetrien solche Einschränkungen beseitigen. Als einfaches, aber wichtiges Beispiel stellten die Forscher fest, dass jeder lineare zeitinvariante thermische Emitter verlustbehaftet sein muss. Infolgedessen müssen sie die Energieerhaltung und die Zeitumkehrsymmetrie brechen. Es kann jedoch die Lorentz-Reziprozität entweder befolgen oder verletzen.

Zusammenfassend gaben die Forscher einen Überblick über konstruierte nanophotonische Strukturen mit gebrochenen Symmetrien in der thermischen Photonik, wobei sie sich hauptsächlich auf die Kontrolle der thermischen Emission konzentrierten. Sie unterscheiden sich von konventionellen Materialien und nanophotonischen Strukturen mit hohen Symmetrien. Gebrochene geometrische Symmetrien werden diskutiert, einschließlich Anisotropie, Aperiodizität, Zufälligkeit und Chiralität. Dies war eine Gelegenheit, die durch geometrische Asymmetrie induzierte Kontrolle der thermischen Emission und anderer thermischer Effekte hervorzuheben.

Eine weitere Kategorie der Symmetriebrechung kann durch die Entwicklung unterschiedlicher Modensymmetrien realisiert werden, besondere nanophotonische Zustände, einschließlich Fano-Resonanz und gebundene Zustände im Kontinuum, sind auch für die thermische Emissionskontrolle machbar. Es ermöglicht schmalbandige Emission und vollständiges Schalten der thermischen Emission.

Reziprozität ist eine grundlegende innere Symmetrie in der Elektromagnetik. Das Brechen der Reziprozität in der thermischen Photonik führt zu einer nicht reziproken thermischen Emission, die das Kirchhoffsche Gesetz der Wärmestrahlung verletzen und die Effizienz von Energieumwandlungs- und Ernteanwendungen verbessern kann.

Dies geschieht durch Ausnutzung des magneto-optischen Effekts und der räumlich-zeitlichen Modulation. Für die zukünftige Entwicklung könnten die Einführung weiterer zusammengesetzter gebrochener Symmetrien und die Erforschung der Asymmetrien in Licht-Materie-Wechselwirkungen neue Forschungsmöglichkeiten eröffnen. Darüber hinaus diskutierte das Team kurz einige neue Richtungen: das nicht-hermitische System und die Twist-Optik.