Legge di Kirchhoff sulla radiazione: violazione di una legge della natura misurata direttamente per la prima volta
Ciò che assorbe bene le radiazioni, le irradia anche bene: questo è ciò che dice la legge di Kirchhoff sulle radiazioni. Ora un materiale infrange questa regola. Tra le altre cose, questo potrebbe aiutare a migliorare le celle solari.
Per molto tempo si è ipotizzato che l'assorbimento e l'emissione di radiazioni fossero strettamente legati. Un corpo che assorbe bene le radiazioni le emette altrettanto bene. Nel 1860, il fisico tedesco Gustav Kirchhoff riassunse questa relazione nella legge sulle radiazioni che oggi porta il suo nome: In equilibrio termico, l'assorbimento e l'emissione di radiazioni sono uguali per una data lunghezza d'onda e un dato angolo rispetto alla superficie. Ciò significa che un oggetto nero che assorbe tutta la luce è anche l'emettitore più efficace: ecco perché lo spettro di radiazione ideale è noto anche come radiazione di corpo nero. Per molto tempo, questa relazione è stata fondamentale per la progettazione di dispositivi che assorbono ed emettono radiazioni. Tuttavia, considerazioni teoriche e simulazioni hanno da tempo suggerito che tale relazione non è strettamente valida. Ora un gruppo di ricerca ha scoperto che la radiazione di corpo nero non è un'eccezione. Ora un gruppo di ricerca guidato da Harry A. Atwater del California Institute of Technology di Pasadena ha dichiarato di aver rilevato direttamente una violazione della legge di Kirchhoff sulle radiazioni. Hanno utilizzato un cosiddetto materiale magneto-ottico le cui proprietà ottiche cambiano quando viene applicato un campo magnetico. Il campo magnetico aumenta la capacità di emettere radiazioni a una certa angolazione, riducendo al contempo l'assorbimento alla stessa angolazione, come riporta il team nella pubblicazione sulla rivista scientifica "Nature Photonics". "Questa è la prima prova sperimentale che la legge può essere infranta", afferma il primo autore Atwater, secondo un comunicato stampa del suo istituto.
Il risultato conferma studi precedenti di questo e altri gruppi di ricerca, secondo i quali i materiali magneto-ottici dovrebbero essere in grado di confutare la legge di Kirchhoff. Negli ultimi anni, sono stati proposti, calcolati e simulati diversi set-up sperimentali a questo scopo. Tuttavia, non è mai stato possibile misurare direttamente la differenza tra emissione e assorbimento. Il materiale utilizzato dal gruppo di lavoro è costituito da due strati: uno strato di silicio con sottili scanalature incise a intervalli di 500 nanometri e uno strato sottostante costituito dal semiconduttore arseniuro di indio, che è drogato con atomi di impurità e ha una costante dielettrica prossima allo zero a una certa lunghezza d'onda.
"Il dispositivo combina un materiale che reagisce fortemente a un campo magnetico con una struttura modellata che aumenta l'assorbimento e l'emissione nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso", spiega Komron Shayegan, collega di Atwater, secondo il comunicato stampa. Senza un campo magnetico, la struttura obbedisce alla legge di radiazione di Kirchhoff. Tuttavia, non appena viene applicato un campo magnetico moderato, l'efficienza di emissione e di assorbimento non è più la stessa a determinati angoli. Tali materiali potrebbero migliorare l'efficienza dei sistemi di raccolta dell'energia come le celle solari, afferma Shayegan. "Se una cella solare non emettesse radiazioni verso la sorgente, ma verso un altro collettore di energia, si potrebbe convertire una percentuale maggiore di energia", spiega il ricercatore.
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Immagine di copertina: Shutterstock / foxbat
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