Les symétries brisées offrent des opportunités pour la gestion des émissions thermiques

Le transfert de chaleur radiatif est un processus physique omniprésent dans notre univers. Tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu échange de l’énergie thermique avec l’environnement. En physique, l’émission thermique provient du rayonnement électromagnétique induit par le mouvement thermique des particules chargées à l’intérieur des matériaux.

La loi de Planck caractérise la distribution spectrale de la puissance émise. La deuxième loi de la thermodynamique régit l’irréversibilité du transfert d’énergie dans l’émission thermique. L’émission thermique a tendance à être à large bande, incohérente, omnidirectionnelle et non polarisée. Cela est dû aux champs électromagnétiques fluctuants générés thermiquement à l’intérieur des matériaux.

Le développement rapide de la nanophotonique a permis aux chercheurs de démontrer que l’émission thermique, similaire à l’émission lumineuse spontanée, peut être conçue ou manipulée. Cela peut être fait en utilisant des micro/nanostructures artificielles ou naturelles. Les émissions thermiques à bande étroite, directionnelles ou polarisées sont toutes proposées et démontrées expérimentalement à l’aide de métamatériaux. Des réalisations fructueuses propulsent le développement de la photonique thermique, améliorant l’efficacité de l’utilisation de l’énergie et révolutionnant de nombreuses applications énergétiques.

Dans un nouvel article publié dans eLightune équipe collaborative de scientifiques de l’Université de Stanford et de l’Institut d’optique, de mécanique fine et de physique de Changchun, de l’Académie chinoise des sciences, dirigée par le professeur Shanhui Fan et le professeur Wei Li, a souligné l’importance des symétries brisées pour le contrôle nanophotonique de l’émission thermique et aperçu divers phénomènes physiques et applications connexes.

Les symétries sont d’une importance fondamentale en physique. Une symétrie d’un système physique est une caractéristique physique qui reste invariante sous certaines transformations. Les transformations peuvent être continues ou discrètes, ce qui donne lieu aux types de symétries correspondants. Les groupes décrivent mathématiquement les symétries. Les symétries continues sont décrites par des groupes de Lie, tandis que les groupes finis décrivent des symétries discrètes. Les symétries continues d’un système physique sont intimement liées aux lois de conservation caractérisant ce système.

Les symétries jouent également un rôle important dans le rayonnement thermique. Dans ce contexte, les symétries pertinentes incluent les symétries géométriques et non géométriques. Ces symétries ont des implications importantes pour le rayonnement thermique. Par exemple, tout émetteur thermique est caractérisé par deux grandeurs clés : l’absorptivité spectrale angulaire et l’émissivité spectrale angulaire. On sait que l’existence de symétries géométriques et non géométriques impose des contraintes directes.

Inversement, briser ces symétries peut supprimer ces contraintes. Comme exemple simple mais important, les chercheurs ont noté que tout émetteur thermique linéaire invariant dans le temps doit être avec perte. En conséquence, ils doivent briser la conservation de l’énergie et la symétrie d’inversion du temps. Cependant, il peut obéir ou violer la réciprocité de Lorentz.

En résumé, les chercheurs ont passé en revue des structures nanophotoniques conçues avec des symétries brisées en photonique thermique, se concentrant principalement sur le contrôle de l’émission thermique. Ils se distinguent des matériaux conventionnels et des structures nanophotoniques à hautes symétries. Les symétries géométriques brisées sont discutées, y compris l’anisotropie, l’apériodicité, le caractère aléatoire et la chiralité. Ce fut l’occasion de mettre en évidence le contrôle induit par l’asymétrie géométrique de l’émission thermique et d’autres effets thermiques.

Une autre catégorie de rupture de symétrie peut être réalisée via l’ingénierie de différentes symétries de mode, des états nanophotoniques particuliers, y compris la résonance de Fano et des états liés dans le continuum, sont également réalisables pour le contrôle des émissions thermiques. Il permet une émission à bande étroite et une commutation complète de l’émission thermique.

La réciprocité est une symétrie interne fondamentale en électromagnétisme. La rupture de la réciprocité dans la photonique thermique conduit à une émission thermique non réciproque, qui peut violer la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique et peut améliorer l’efficacité des applications de conversion et de récupération d’énergie.

Pour ce faire, il exploite l’effet magnéto-optique et la modulation spatio-temporelle. Pour le développement futur, l’introduction de plus de symétries brisées composées et l’exploration des asymétries dans les interactions lumière-matière peuvent offrir de nouvelles opportunités de recherche. De plus, l’équipe a brièvement discuté de quelques directions émergentes : le système non hermitien et l’optique à torsion.