Loi de Kirchhoff sur le rayonnement : violation d'une loi naturelle mesurée directement pour la première fois
Ce qui absorbe bien le rayonnement rayonne aussi bien - c'est ce que dit la loi de Kirchhoff sur le rayonnement. Un matériau enfreint désormais cette règle. Cela pourrait notamment aider à améliorer les cellules solaires.
Longtemps, on a pensé que l'absorption et l'émission de rayonnement étaient strictement liées. Un corps qui absorbe bien les radiations les émet aussi bien. En 1860, le physicien allemand Gustav Kirchhoff a résumé cette relation dans la loi du rayonnement qui porte aujourd'hui son nom : En équilibre thermique, l'absorption et l'émission de rayonnement sont égales pour une longueur d'onde et un angle donnés par rapport à la surface. Ainsi, un objet noir qui absorbe toute la lumière est en même temps l'émetteur le plus efficace - c'est pourquoi un spectre de rayonnement idéal est également appelé rayonnement du corps noir. Cette relation a longtemps été centrale dans la conception d'appareils absorbant et émettant des rayonnements. Mais des réflexions théoriques et des simulations avaient déjà suggéré que cette relation n'était pas strictement valable.
A présent, un groupe de travail dirigé par Harry A. Atwater du California Institute of Technology à Pasadena annonce qu'il a effectivement constaté directement une violation de la loi de Kirchhoff sur le rayonnement. Elle a utilisé pour cela un matériau dit magnéto-optique, dont les propriétés optiques sont modifiées par l'application d'un champ magnétique. Le champ magnétique fait augmenter la capacité à émettre un rayonnement à un angle donné, tout en diminuant l'absorption au même angle, rapportent les chercheurs dans leur publication dans la revue Nature Photonics. "C'est la première preuve expérimentale que la loi peut être brisée", explique Atwater, premier auteur, cité dans un communiqué de presse de son institut.
Ce résultat confirme des études antérieures menées par ce groupe de travail et d'autres, selon lesquelles les matériaux magnéto-optiques devraient être en mesure de réfuter la loi de Kirchhoff. Au cours des dernières années, une série de dispositifs expérimentaux ont été proposés, calculés et simulés à cet effet. Cependant, il n'a jamais été possible de mesurer directement la différence entre l'émission et l'absorption. Le matériau utilisé par l'équipe se compose de deux couches : une couche de silicium dans laquelle sont gravées de fines rainures à des intervalles de 500 nanomètres, et une couche sous-jacente d'arséniure d'indium, un semi-conducteur dopé avec des impuretés et dont la constante diélectrique est proche de zéro à une longueur d'onde donnée.
"Le dispositif combine un matériau qui réagit fortement à un champ magnétique avec une structure à motifs qui amplifie l'absorption et l'émission dans les longueurs d'onde infrarouges", explique Komron Shayegan, membre du personnel d'Atwater, cité dans le communiqué de presse. En l'absence de champ magnétique, la structure obéit à la loi de rayonnement de Kirchhoff. Mais dès qu'un champ magnétique modéré est appliqué, l'efficacité d'émission et d'absorption n'est plus la même à certains angles. Selon M. Shayegan, de tels matériaux pourraient améliorer l'efficacité des systèmes de production d'énergie tels que les cellules solaires. "Si une cellule solaire ne renvoyait pas le rayonnement vers sa source, mais le dirigeait vers un autre collecteur d'énergie, une plus grande partie de l'énergie pourrait être convertie", explique le chercheur.
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Photo de couverture : Shutterstock / foxbat
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