ТЕРМИЧЕСКИЙ МЕТАМАТЕРИАЛ
THERMAL METAMATERIAL

Изобретение относится к метаматериалам, а именно материалам, изменяющим радиационные (излучательные и поглощательные) свойства материалов в сторону их увеличения.
Метаматериалами называют материалы, оптические, тепловые и иные свойства которых не встречаются в природе. В данном изобретении предлагается конструкция материала, излучательная/поглощательная способность которого близка к излучательной/поглощательной способности абсолютно черного тела (АЧТ).
Известно, что при нагреве твердого тела его поверхность излучает электромагнитную энергию в виде волн радио-, инфракрасного (ИК) и видимого диапазонов. Излучательная способность тела r(Т, ω), находящегося при температуре Т, на частоте ω, определяется законом Кирхгофа [Физический энциклопедический словарь, М., Советская энциклопедия, 1983]:
r(Т, ω)=а(Т, ω) f(T, ω),
где а(Т, ω) - поглощающая способность тела на той же частоте и при той же температуре, f(T, ω) - функция Планка. Поскольку максимально возможной поглощательной способностью обладает АЧТ, для которого а(Т, ω)=1, оно обладает и наибольшей излучательной способностью.
С целью повышения излучательной/поглощательной способности тела в видимом диапазоне его поверхность покрывают, например, мелкодисперсным углеродом (сажей), которая весьма близка в этом диапазоне к АЧТ. Однако в ИК диапазоне поглощательная, а следовательно, и излучательная способности сажи существенно отличаются от аналогичных способностей АЧТ. Так для длин волн 8..14 мкм излучательная способность сажи не превышает 50% [C.H. Liebert, R.H. Hibbard, Spectral emittance of soot, NASA Technical Note D-5647, 1970].
Наиболее близким по физической сути к предлагаемому решению является описанная в патенте US 7,961,995 В2 Electrically tunable plasmon light tunneling junction МПК G02B 6/26(20060101); G02B 6/10(20060101); G02F 1/035 (20060101) структура металл-диэлектрик-металл (МДМ), в которой под действием внешнего электрического поля при туннелировании электрона из металла с более высоким уровнем Ферми через диэлектрик в металл с более низким уровнем Ферми избыток энергии переходит в плазмон, который на торце структуры конвертируется в фотон. Однако использование подобной МДМ-структуры для изменения термических свойств вещества неприменимо.
Задачей данного изобретения является создание термического метаматериала с характеристиками, приближающимися к характеристикам АЧТ.
Технический результат заключается в возможности реализации данной задачи.
m
Технический результат достигается тем, что термический метаматериал состоит из периодически чередующихся полосок диэлектрика и проводящего материала. Оптимальная ширина полосок диэлектрика равна длине волны максимума излучения λ при данной температуре Т, следующая из формулы Планка, и приближенно равная 0.354(hc/kT), где h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана [Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Статистическая физика, М., Наука, 1976, §163].
m
m
Знание температуры Т, фигурирующей выше, необходимо для изготовления метаматериала. Она равна той температуре, при которой предполагается использование метаматериала. Проводящий материал имеет в сечении форму прямоугольников с плоским торцом, выходящим на излучающую поверхность, или треугольников с вершиной, направленной в сторону излучающей поверхности и выходящей на нее. В обоих случаях радиус кривизны между соседними плоскостями проводящего материала должен быть меньше λ, при треугольном сечении проводящего материала высота треугольников больше λ.
В качестве проводящего материала используют металлы.
В работах [V.B. Zon, J. Opt. Soc. Am. В 24, 1960 (2007); A.N. Latyshev et al J. Opt. Soc. Am. В 26, 397 (2009); В.Б. Зон и др. УФН 181 №3, 305 (2011)] было теоретически предсказано и экспериментально исследовано явление плазмон-фотонной конверсии, состоящее в следующем. На проводящей плоской поверхности при Т>0 существуют поверхностные плазмон-поляритоны (ППП), образующие 2-мерный газ квазичастиц, подчиняющихся распределению Бозе-Эйнштейна, вследствие чего их энергия распределена по закону Планка. Подходя к краю проводящей поверхности, ППП конвертируются в электромагнитные кванты (фотоны), имеющие такое же распределение по энергии. Значение коэффициента конверсии близко к 1, если радиус кривизны края проводящей поверхности не превышает длину волны соответствующего фотона. На основе этого явления предложена конструкция метаматериала, излучающие/поглощающие характеристики которого близки к соответствующим характеристикам АЧТ.
m
Если толщина диэлектрика между проводящими поверхностями становится сравнимой с длиной λ, метаматериал начинает избирательно поглощать и излучать электромагнитную энергию на определенных (резонансных) длинах волн [S. Collin et al Optics Express 15, No 7, 4311 (2007); Chih-Ming Wang et al Optics Express 15, No 22, 14673 (2007); K. Ikeda et al Appl. Phys. Lett. 92, 021117 (2008)], что приводит удалению его характеристик от характеристик АЧТ.
На фиг.1 представлен метаматериал с излучающим материалом в виде параллелепипедов: а - вид сверху на излучающую поверхность; б - вид в разрезе по А-А; на фиг.2 - метаматериал с излучающим материалом, имеющим в разрезе форму треугольников; на фиг.3 представлено распределение температуры по излучающей поверхности образца (соответствие цвета градусам Цельсия указано на шкале справа); на фиг.4 - профиль распределения температуры по поверхности метаматериала, изображенного на фиг.3, вдоль вертикальной линии А-А.
m
Термический метаматериал представляет собой спрессованные в единое целое периодически чередующиеся слои проводящего материала (металла) 1 и диэлектрика 2, выходящие на излучающую/поглощающую поверхность 3 метаматериала, причем радиус кривизны между соседними плоскостями проводящего материала, выходящих на излучающую/поглощающую поверхность, должен быть меньше λ. Проводящий материал в сечении может иметь форму прямоугольника (фиг.1) или треугольников (фиг.2). Противоположная излучающей/поглощающей поверхности часть метаматериала может заканчиваться сплошным слоем диэлектрика или металла, как изображено на фиг.1, 2.
Для экспериментальной проверки предложенного метаматериала был изготовлен его образец, представляющий собой меандр из алюминиевой фольги толщиной 100 мкм с расстоянием между соседними полосками 2 мм. Пространство между полосками было заполнено алебастром. Образец нагревался на электроплитке до температуры 350 град С. Распределение температуры по поверхности образца наблюдалось с помощью тепловизора ThermaCAM SC300 (FLIR Systems). Это изображение приведено на фиг.3. Как видно, радиационная температура торцов меандра ниже, чем радиационная температура областей, заполненных алебастром, непосредственно примыкающих к поверхностям меандра. Радиационная температура алебастра вдали от меандра также ниже температуры областей, непосредственно примыкающих к поверхностям меандра. Профиль температуры представлен на фиг.4. Представленные экспериментальные результаты объясняются явлением плазмон-фотонной конверсии.