特殊材料红外发射能力远超吸收

美国宾夕法尼亚州立大学科研团队研发出一种特殊的多层超材料，在强磁场作用下，其红外光发射强度显著超过吸收强度，为收集太阳能、开发热隐身技术开辟了新路径。相关论文发表于最新一期《物理评论快报》。

处于热平衡状态的物体通常以相同的速率发射和吸收热辐射。图片来源：美国物理学会

了解材料如何吸收和发射红外光（热）是诸多科学和工程研究领域的核心。1859年，德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫提出的热辐射定律指出：在特定条件下，材料的红外光吸收率与发射率始终相等。这一沿用160余年的“互易性”定律已被认为是普遍适用的定律，指导科学家设计和控制热辐射器件的方法。

然而，在过去十年间，科学家开始探索可能违反基尔霍夫定律的机制：非互易性。例如，在有外加磁场或者旋转运动时，一些材料或结构会产生非互易性。2023年，科学家将单层磁光材料砷化铟（InAs）置于约1特斯拉（略低于MRI仪器产生的磁场，但超地球磁场强约10万倍）的强磁场中，成功实现了非互易性。尽管这一成果证实了理论预测，但非互易性效果甚微。

在最新研究中，团队通过创新设计，首次实现了强非互易热发射——材料的发射率比吸收率高出43%，创下该领域最高纪录。

团队创造了由5层电子掺杂铟镓砷（InGaAs）制成的“超材料”。每层InGaAs的厚度约为440纳米，且掺杂浓度随层数的增加而增加。随后，他们将InGaAs转移到硅基板上，并使用定制的角分辨磁热发射光谱仪对样品进行研究。

测试结果显示，在267℃高温环境配合5特斯拉超强磁场，新材料展示出迄今最高的非互易性，且在13—23微米宽光谱范围保持稳定性能。