Para peneliti telah menemukan bahwa metamaterial, tumpukan lapisan semikonduktor InGaAs, dapat memancarkan radiasi inframerah tengah yang jauh lebih banyak daripada yang diserapnya. Ketika sampel ini dipanaskan (~540 K) dalam medan magnet 5 tesla, ia menunjukkan rekor nontimbal balik 0,43 (sekitar dua kali ganda terbaik sebelumnya). Dengan kata lain, itu sangat melanggar hukum Kirchhoff dan memaksa panas mengalir ke satu arah. Demonstrasi emisi termal nontimbal balik yang kuat ini dapat memungkinkan perangkat seperti dioda termal satu arah dan meningkatkan teknologi seperti termofotovoltaik surya dan manajemen panas.
Menurut studi yang diterbitkan, perangkat baru ini terbuat dari lima lapisan semikonduktor ultra-tipis yang disebut indium gallium arsenide, masing-masing setebal 440 nanometer. Lapisan secara bertahap didoping dengan lebih banyak elektron saat mereka masuk lebih dalam dan ditempatkan pada basis silikon. Para peneliti kemudian memanaskan bahan hingga sekitar 512 ° F dan menerapkan medan magnet yang kuat sebesar 5 tesla. Dalam kondisi ini, bahan memancarkan 43% lebih banyak cahaya inframerah dalam satu arah daripada yang diserap—tanda kuat nontimbal balik. Efek ini sekitar dua kali lebih kuat daripada penelitian sebelumnya dan bekerja di banyak sudut dan panjang gelombang inframerah (13 hingga 23 mikron).
Dengan memberikan aliran panas satu arah, metamaterial akan berfungsi sebagai transistor atau dioda termal. Ini dapat meningkatkan termofotovoltaik surya dengan mengirimkan limbah panas ke sel pemanen energi dan membantu mengendalikan panas dalam penginderaan dan elektronik. Ini memiliki implikasi potensial untuk pemanenan energi, kontrol termal, dan perangkat panas baru
Menantang Simetri Termal
Hukum radiasi termal Kirchhoff (1860) menyatakan bahwa pada kesetimbangan termal, emisivitas material sama dengan penyerapannya pada setiap panjang gelombang dan sudut. Secara praktis, timbal balik ini berarti permukaan yang memancarkan inframerah dengan kuat akan menyerapnya dengan baik.
Mematahkan simetri ini membutuhkan pelanggaran simetri pembalikan waktu, seperti dengan menerapkan medan magnet ke bahan magneto-optik. Misalnya, sebuah studi tahun 2023 menunjukkan bahwa satu lapisan indium arsenide (InAs) dalam medan magnet ~1 T dapat menghasilkan emisi termal nontimbal balik. Namun, efek itu sangat lemah dan hanya bekerja pada panjang gelombang dan sudut tertentu. Hingga saat ini, desain magneto-optik hanya mencapai ketidakseimbangan emisi-penyerapan kecil dalam kondisi yang sangat ketat. Pencapaian baru ini menunjukkan bahwa bahan buatan manusia dapat menghasilkan pemancar termal satu arah.
