Pesquisadores projetam nova abordagem para controlar a emissão térmica

O Instituto Nacional de Grafeno da Universidade de Manchester liderou uma equipe internacional para projetar uma nova abordagem para controlar a emissão térmica, detalhada em um artigo publicado em Ciência. Esta inovação oferece novas estratégias de design além dos materiais convencionais, com implicações promissoras para o gerenciamento térmico e tecnologias de camuflagem.

A equipe internacional, que também incluiu a Penn State College of Engineering, a Koc University na Turquia e a Vienna University of Technology na Áustria, desenvolveu uma interface única que localiza as emissões térmicas de duas superfícies com propriedades geométricas diferentes, criando um emissor térmico “perfeito”. Esta plataforma pode emitir luz térmica de áreas de emissão específicas e contidas com emissividade unitária.

O professor Coskun Kocabas, professor de materiais de dispositivos 2D na Universidade de Manchester, explica: “Demonstramos uma nova classe de dispositivos térmicos usando conceitos de topologia – um ramo da matemática que estuda propriedades de objetos geométricos – e de fotônica não-Hermitiana, que é uma área florescente de pesquisa que estuda a luz e sua interação com a matéria na presença de perdas, ganho óptico e certas simetrias.”

A equipe disse que o trabalho pode avançar nas aplicações termofotônicas para melhor gerar, controlar e detectar a emissão térmica. Uma aplicação deste trabalho poderia ser em satélites, disse o co-autor Prof Sahin Ozdemir, professor de engenharia e mecânica na Penn State.

Diante de uma exposição significativa ao calor e à luz, os satélites equipados com a interface poderiam emitir a radiação absorvida com emissividade unitária ao longo de uma área especificamente designada, projetada pelos pesquisadores para ser incrivelmente estreita e em qualquer formato considerado necessário.

Chegar a este ponto, porém, não foi simples, segundo Ozdemir. Ele explicou que parte do problema é criar um absorvedor-emissor térmico perfeito apenas na interface, enquanto o resto das estruturas que formam a interface permanecem “frias”, o que significa que não há absorção nem emissão.

“Construir um absorvedor-emissor perfeito – um corpo negro que absorve perfeitamente toda a radiação recebida – provou ser uma tarefa formidável”, disse Ozdemir.

No entanto, a equipe descobriu que um pode ser construído na frequência desejada prendendo a luz dentro de uma cavidade óptica, formada por um primeiro espelho parcialmente refletor e um segundo espelho completamente refletor: a luz que chega parcialmente refletida do primeiro espelho e a luz que só é refletido depois de ficar preso entre os dois espelhos que se cancelam exatamente. Com a reflexão totalmente suprimida, o feixe de luz fica preso no sistema, é perfeitamente absorvido e emitido na forma de radiação térmica.

Para conseguir tal interface, os pesquisadores desenvolveram uma cavidade empilhada com uma espessa camada de ouro que reflete perfeitamente a luz que entra e uma fina camada de platina que pode refletir parcialmente a luz que entra. A camada de platina também atua como um absorvedor-emissor térmico de banda larga. Entre os dois espelhos está um dielétrico transparente chamado parileno-C.

Os pesquisadores podem ajustar a espessura da camada de platina conforme necessário para induzir a condição crítica de acoplamento onde a luz que entra fica presa no sistema e perfeitamente absorvida, ou para mover o sistema longe do acoplamento crítico para um acoplamento sub ou supercrítico onde absorção e emissão perfeitas não podem ocorrer.

“Somente costurando duas camadas de platina com espessuras menores e maiores que a espessura crítica sobre a mesma camada dielétrica, criamos uma interface topológica de duas cavidades onde a absorção e a emissão perfeitas estão confinadas. O crucial aqui é que as cavidades que formam a interface não estão em condição crítica de acoplamento”, disse o primeiro autor M. Said Ergoktas, pesquisador associado da Universidade de Manchester

O desenvolvimento desafia a compreensão convencional da emissão térmica no campo, de acordo com o co-autor Stefan Rotter, professor de física teórica na Universidade de Tecnologia de Viena, “Tradicionalmente, acredita-se que a radiação térmica não pode ter propriedades topológicas devido à sua natureza incoerente. .”

Segundo Kocabas, sua abordagem para a construção de sistemas topológicos para controle de radiação é facilmente acessível a cientistas e engenheiros.

“Isso pode ser tão simples quanto criar um filme dividido em duas regiões com espessuras diferentes, de modo que um lado satisfaça o acoplamento subcrítico e o outro esteja no regime de acoplamento supercrítico, dividindo o sistema em duas classes topológicas diferentes”, disse Kocabas. disse.

A interface realizada exibe emissividade térmica perfeita, que é protegida pela topologia de reflexão e “exibe robustez contra perturbações e defeitos locais”, de acordo com o coautor Ali Kecebas, pós-doutorado na Penn State.

A equipe confirmou as características topológicas do sistema e sua conexão com a conhecida física não-Hermitiana e suas degenerescências espectrais conhecidas como pontos excepcionais através de simulações experimentais e numéricas.

“Este é apenas um vislumbre do que se pode fazer no domínio térmico usando a topologia de não-Hermiticidade. Uma coisa que precisa de mais exploração é a observação dos dois modos de contrapropagação na interface que nossa teoria e simulações numéricas predizem”, disse Kocabas. disse.