Des scientifiques américains brisent une loi physique vieille de 165 ans, ouvrant la voie à une révolution énergétique
Une équipe de recherche de l'Université Penn State a rapporté une violation significative de la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique, un principe fondamental de la physique thermique depuis 165 ans. Leurs découvertes décrivent l'écart le plus important jamais enregistré par rapport au principe de réciprocité de cette loi, ouvrant des perspectives pour une récolte d'énergie, un transfert de chaleur et une détection infrarouge plus efficaces.
La loi de Kirchhoff, formulée en 1860, stipule que la capacité d'un matériau à absorber de l'énergie à une longueur d'onde et un angle spécifiques est égale à sa capacité à l'émettre. « Les scientifiques ont longtemps observé que la capacité d'un matériau à absorber le rayonnement électromagnétique - une onde d'énergie sous forme de lumière solaire, de rayons X, entre autres - à une longueur d'onde et un angle donnés doit être égale à sa capacité à émettre à la même longueur d'onde et au même angle », ont expliqué les chercheurs dans un communiqué de presse.
Le travail de l'équipe de Penn State démontre qu'un matériau ne suit pas cette règle. Les chercheurs ont mesuré un contraste de non-réciprocité de 0,43, une valeur représentant la différence entre l'absorptivité et l'émissivité du matériau. Dans un système réciproque, cette valeur serait zéro. L'effet a également été observé sur une large bande de longueur d'onde de 10 micromètres.
Le résultat a été obtenu en utilisant un émetteur constitué d'un film mince à cinq couches. Chaque couche est composée d'un matériau semi-conducteur légèrement différent, et l'épaisseur totale de la structure est d'environ deux micromètres. « Grâce à cette conception de matériau, la gamme de longueurs d'onde infrarouges où le rayonnement thermique présente plusieurs pics de résonance, ce qui signifie que la structure absorbe et émet un rayonnement thermique sur plusieurs longueurs d'onde, nous nous attendons donc à voir l'effet sur une large bande de longueurs d'onde », ont commenté les chercheurs.
Un aspect clé du matériau est que le film mince peut être transféré sur d'autres substrats. Alireza Kalantari Dehaghi, co-premier auteur et doctorant, a noté que cela permet de l'intégrer à divers dispositifs pour améliorer l'efficacité de la conversion d'énergie et du transfert de chaleur.
Les applications potentielles de cette technologie incluent une récolte d'énergie plus efficace. Comme l'a expliqué Zhenong Zhang, co-premier auteur, les cellules solaires standard sont tenues par la loi de Kirchhoff de rayonner une partie de l'énergie absorbée vers le soleil. « Dans le cas des cellules solaires réciproques pour la récolte d'énergie solaire, par exemple, la cellule solaire doit émettre de l'énergie optique vers le soleil comme l'exige la loi de Kirchhoff. Cette partie de l'énergie qui retourne vers le soleil est gaspillée », a ajouté Zhang. « Cependant, si nous pouvons avoir des émetteurs non réciproques, nous pouvons envoyer l'émission dans une direction différente. Ensuite, nous pourrions placer une autre cellule solaire là pour absorber cette partie de l'énergie, augmentant ainsi l'efficacité globale de conversion de puissance. »
Les mesures ont été effectuées à l'aide d'un spectrophotomètre d'émission thermique magnétique résolu en angle, spécialement conçu. Cet instrument a permis à l'équipe de mesurer les émissions thermiques sous un fort champ magnétique, nécessaire pour produire l'effet de non-réciprocité important dans le matériau. L'équipe de recherche entend continuer à explorer le rayonnement thermique non réciproque dans d'autres matériaux.
