Kirchhoff'un termal radyasyon yasası 165 yıl sonra bozuldu

Enerji

Teknolojik Yenilik Web Sitesi Editör Ekibi - 26/06/2025

a) Karşılıklı olmayan emisyon ve absorpsiyonun şeması. (b) Çok katmanlı yapının taramalı elektron mikroskobu görüntüsü. (c) Deneyin şeması. (d, e) Emisivite çizimleri. (f, g) Gerçek emisivite ve polarizasyon spektrumları. [Resim: Zhenong Zhang ve diğerleri - 10.48550/arXiv.2501.12947]

Kirchhoff Yasasını Kırmak

165 yıldır geçerliliğini koruyan bir termal radyasyon "yasası" çürütüldü (daha önce hafifçe eğilmişti). Bilim insanları, bu keşfin enerji hasadı, ısı transferi ve kızılötesi algılama için daha verimli teknolojilere zemin hazırlaması nedeniyle kutluyor.

Kirchhoff'un termal radyasyon yasası olarak adlandırılan yasa, Alman fizikçi Gustav Kirchhoff [1824-1887] tarafından 1860 yılında geliştirilen bir kavramdır ve bir malzemenin emilim verimlerinin ve emisivitesinin her dalga boyunda ve geliş açısında eşit olduğunu belirtir.

Başka bir deyişle, bir malzemenin belirli bir dalga boyu ve açıda elektromanyetik radyasyonu (örneğin güneş ışığı veya X ışınları biçiminde bir enerji dalgası) emme yeteneği, aynı dalga boyu ve açıda radyasyon yayma yeteneğine eşit olmalıdır. Buna karşılıklı ilişki denir.

Kirchhoff yasası, iki yıl önce Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'ndeki bir ekibin, yasaya uygun davranmayan bir malzeme yaratmasıyla bozulmaya başladı .

Ancak şimdi Zhenong Zhang ve Pennsylvania Eyalet Üniversitesi'ndeki meslektaşları yasada dramatik bir kırılma olduğunu gösterdiler. Bu daha güçlü kırılma, daha önce mümkün olmayan gerçek dünya olasılıklarına ulaşmanın artık mümkün olduğu anlamına geliyor.

Karşılıklılık Olmama

Önceki karşılıklı olmayan emisyon ve absorpsiyon gösterimi, pratik uygulamalar için gerekli olan iki koşul olan emisivite ve absorptivite arasında yüksek bir kontrast elde edemediği gibi, geniş bir dalga boyu aralığında da elde edilememiştir.

Zhang, "Kirchhoff yasasını güçlü bir şekilde ihlal etme yeteneği, yalnızca termal radyasyonu kontrol etmek için radikal bir şekilde yeni bir yol sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda enerji ve algılama uygulamalarını da temelden iyileştirebilir," dedi. "Örneğin, güneş enerjisi hasadı için karşılıklı güneş hücreleri durumunda, güneş hücresinin Kirchhoff yasasının gerektirdiği gibi optik enerjiyi Güneş'e geri yayması gerekir. Güneş'e geri dönen enerjinin bu kısmı boşa gider."

"Ancak, karşılıklı olmayan yayıcılarımız varsa, emisyonu farklı bir yöne yönlendirebiliriz. Daha sonra, enerjinin o kısmını emmek için oraya başka bir güneş hücresi yerleştirebilir ve böylece genel enerji dönüşüm verimliliğini artırabiliriz. Böyle bir strateji, termodinamik verimlilik sınırları içinde güneş enerjisi hasadına izin vermek için teorik olarak önerilmiştir," diye ekledi araştırmacı.

Karşılıklı olmama, boyutsuz parametrelerle ölçülür, yani sistemin sınırları, ortaya çıkan ölçümü etkilemez; yani gerçekte emilen ile gerçekte yayılan arasındaki fark. Gerçekten karşılıklı bir sistemde, emisivite ile soğurma arasındaki beklenen kontrast sıfır olurdu.

"Çalışmamızda en güçlü kontrastı 0,43 olarak gözlemledik ve ayrıca 10 mikronluk geniş bir dalga boyu aralığında da önemli bir kontrast var. Elde edilen güçlü karşılıklı olmayan emisyon, uygulamalar için büyük bir potansiyele işaret ediyor," diyor Profesör Linxiao Zhu.

Pratik uygulamalar

Ekibin oluşturduğu karşılıklı olmayan yayıcı, önceki deneylerden farklı olarak, diğer yüzeylere aktarılabilen çok ince bir filmden oluşuyor ve cihazların entegrasyonuna da olanak sağlıyor.

Yarı iletken malzemeler (InGaAs) beş katmandan oluşuyor ve her katmanın bileşimi biraz farklı. Ancak ekip, diğer malzemelerin kullanımında içsel bir sınırlama olmadığına inanıyor. InGaAs heterojunksiyonları elektronik ve fotonik cihazlarda yaygın olarak kullanılıyor.

"Malzememiz, insan saçından daha ince olan yaklaşık iki mikronluk toplam kalınlıkta yetiştirildi," dedi ekip üyesi Alireza Dehaghi. "Seçtiğimiz malzeme sistemiyle mümkün kılınan çalışmamızda, mikro ölçekli ince filmi başka bir alt tabakaya aktardık, bu da enerji dönüşümü, ısı transferi ve diğer uygulamalarda verimliliği artırmak için çeşitli cihaz türlerine aktarılabileceği anlamına geliyor."

Diğer haberler:

Daha fazla konu