Тепловое излучение является широко доступным, но плохо используемым источником энергии. Уже сейчас его можно преобразовывать в электричество с помощью термофотовольтаических элементов, однако такие элементы «улавливают» излучение только определенных длин волн.
Из термодинамики известно, что излучательная способность нагретого тела определяется его поглощательной способностью. В этом смысле наилучшим источником теплового излучения является абсолютно черное тело, которое поглощает все падающие на него лучи света. Это происходит из-за его специфической «пористой» структуры: свет, попадая в «поры», многократно переотражается в них, не выходя наружу и преобразуясь в другие виды энергии, в частности, в тепло.
Нагретое до высокой температуры, черное тело само служит источником теплового излучения. По закону Планка, оно излучает свет со всевозможными длинами волн, но их относительная интенсивность зависит от температуры: при разных температурах интенсивность одних волн будет выше, а других — ниже. При этом при заданной температуре излучение в одном спектральном диапазоне будет достигать определенного максимума, определяемого законом Планка.
Например, Солнце — это абсолютное черное тело с температурой поверхности примерно в шесть тысяч градусов Кельвина. Максимум теплового излучения Солнца находится в диапазоне видимого света, который мы воспринимаем глазом.
Для того, чтобы на полупроводниковый детектор термофотовольтаического элемента попадал максимум вполне определенных волн, в качестве промежуточного источника теплового излучения можно использовать метаматериал. Он будет получать тепло от нагретого тела, и производить тепловое излучение с максимумом мощности в заданном диапазоне длин волн. Более того, если поместить такой излучатель очень близко к фотовольтаическому элементу, то можно на данной длине волны передать большую мощность, чем предсказывает формула Планка. В этом случае происходит передача энергии за счет приповерхностных волн, существующих в ближней зоне излучателя, а закон Планка справедлив лишь для передачи излучения на больших по сравнению с длиной волны расстояниях.
Однако эффективность таких устройств все еще весьма ограничена, так как используемые в них метаматериалы способны к поглощению лишь лучей, падающих непосредственно на их поверхность. Возможно ли преодолеть и это ограничение? Именно этим вопросом задался Станислав Масловский.
«Я написал формулу для параметров объекта конечных размеров, который условно можно назвать „тепловой черной дырой на основе метаматериала“. Этот объект на заданной длине волны поглощает (и, соответственно, излучает) больше, чем абсолютно черное тело тех же размеров, что означает, что этот объект может поглотить лучи света, которые на него непосредственно не падают, а проходят вблизи. Можно сказать, что такая „черная дыра“ действует как гравитирующий объект, который как бы всасывает в себя проходящее рядом излучение с определенной длиной волны», — рассказал о своем открытии Станислав Масловский.
На каком расстоянии такая «метаматериальная черная дыра» может поглощать излучение? Теоретически — на любом. Для физиков это звучит фантастично. Но на практике расстояние будет зависеть от тангенса угла диэлектрических потерь, то есть от способности диэлектрика поглощать энергию в электрическом поле. Когда этот показатель стремится к нулю с одновременным стремлением к бесконечности модуля диэлектрической проницаемости в центре объекта, эффективная площадь поглощения «тепловой черной дыры» устремляется к бесконечности.
«Есть ли действительно предел по мощности теплового излучения тела конечных размеров в дальней зоне на данной длине волны? В результате моих теоретических исследований оказалось, что такого предела нет!» — утверждает Станислав Масловский.
При этом универсального поглотителя или излучателя на все длины волн создать не получится: для каждой длины волны будет своя «черная дыра». При этом, чем больше мощности можно поглотить или излучить с помощью такого метаматериала, тем уже становится рабочий диапазон волн. Таким образом, существует некоторый баланс между тем, в каком диапазоне поглощать (или излучать) и насколько много поглощать (или излучать).
Также следует иметь в виду, что если тот же самый метаматериал образует бесконечную плоскость, то преодолеть передел мощности, диктуемый законом Планка, невозможно. Иначе говоря, чем больше физический размер «черной дыры» по сравнению с длиной волны излучения, тем сложнее превысить предел излучения черного тела.
Микроскопические «черные дыры» могут найти применение в медицине и в химической промышленности. Например, металлодиэлектрические наночастицы, приближающиеся по свойствам к «черным дырам», можно использовать при флуоресцентной микроскопии, при которой наночастицы в исследуемой биологической ткани подсвечиваются падающим светом, что позволяет проводить различные медицинские измерения в клетках под микроскопом. При помощи миниатюрных «черных дыр», принимающих излучение в узком диапазоне длин волн, качество такой «подсветки» будет гораздо выше, так как увеличится эффективная площадь рассеяния света.
«Также этот эффект можно использовать для охлаждения нанолазеров. Эти объекты — микроскопические, они обладают очень маленькой поверхностью. Кроме того, в некоторых случаях нанолазер работает в вакууме и не может охладиться никак, кроме как через тепловое излучение. Если добавить к такому лазеру тепловой радиатор для охлаждения, то объект станет слишком большим. А если нанолазер покрыть моим метаматериалом, то эффективная площадь рассеивания тепла лазером станет намного больше без значительного роста его размеров», — привел еще один пример ученый из португальского университета.
Кроме того, «тепловые черные дыры» можно использовать для конструирования антенн СВЧ диапазона, которые будут эффективно принимать микроволны с гораздо большей площади, чем размер самой антенны. С помощью таких антенн можно будет создать устройства, которые удастся эффективно питать без батареек с помощью микроволн.
