Première casse du 19ème

Pour la première fois, l'efficacité d'absorption et d'émission de rayonnement thermique d'un objet n'est plus la même, brisant ainsi la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique. Les scientifiques soupçonnent depuis un moment que la loi de Kirchhoff n'est pas universelle, mais c'est la première preuve. Cette découverte pourrait nous aider à créer des méthodes plus efficaces pour récupérer l’énergie du soleil, ainsi qu’à améliorer le camouflage.

Les gens ont compris depuis longtemps que les couleurs claires réfléchissent plus la chaleur que les couleurs sombres, ce qui en fait de meilleurs vêtements dans un environnement chaud. Newton a commencé à donner à cette idée une base scientifique avec sa loi du refroidissement. Gustav Kirchhoff a développé ce concept plus loin en définissant une capacité connue sous le nom d'émissivité, le rapport entre la capacité d'un corps à émettre de la chaleur par rapport à un radiateur à corps noir de même taille et forme à la même température. Il a également montré que l'émissivité correspond à la quantité d'énergie thermique que l'objet absorbe dans les mêmes conditions, créant ainsi l'une de ses nombreuses lois (d'autres concernent les circuits électriques et la spectroscopie).

Les physiciens formulent la loi ainsi : « Pour un corps arbitraire émettant et absorbant un rayonnement thermique en équilibre thermodynamique, l’émissivité est égale à l’absorptivité. » La loi ne s’applique que lorsqu’un objet est en équilibre thermodynamique, c’est-à-dire sans réchauffement ni refroidissement net. La loi a été utile pour identifier les objets pouvant être utilisés pour maintenir la température, tels que les couvertures thermiques qui peuvent réfléchir la chaleur, mais aussi la retenir.

Il y a peu de choses que les physiciens apprécient plus que de trouver des exceptions aux lois scientifiques, et le professeur Harry Atwater du California Institute of Technology affirme que son étudiant diplômé Komron Shayegan a fait exactement cela en plaçant un matériau technique dans un champ magnétique.

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"La loi de Kirchhoff est respectée depuis plus de 150 ans, et bien que des propositions théoriques pour sa violation aient été avancées auparavant, il s'agit de la première preuve expérimentale que cette loi peut être enfreinte", a déclaré Atwater dans un communiqué.

Shayegan note que la plupart du temps, la loi de Kirchhoff est utile. « En concevant et en mesurant les propriétés d'absorption d'un matériau, nous obtenons les propriétés émissives gratuitement », a-t-il déclaré.

La crise énergétique a changé la donne. "Si un objet récupérant de l'énergie, comme un panneau photovoltaïque (panneau solaire), réémet une partie de son énergie absorbée vers la source d'énergie (le Soleil) sous forme de chaleur, cette énergie est perdue pour les besoins humains", a expliqué Shayegan. Un appareil qui réémettrait le rayonnement loin de la source nous donnerait une seconde chance de le capter – par exemple en plaçant un deuxième panneau solaire sous le premier.

Une caractéristique de la loi de Kirchhoff est que l'absorption et l'émission sont égales non seulement au total, mais à chaque longueur d'onde.

Le produit de Shayegan a une structure à motifs qui augmente son absorption et son émission dans l'infrarouge, mais présente également une forte réponse au champ magnétique. Lorsqu'il est placé dans un champ magnétique de 1 Tesla (semblable à celui utilisé dans un haut-parleur et un seizième de ce qui est nécessaire pour faire léviter une grenouille) et chauffé au-dessus de la température ambiante, son efficacité émissive dépasse son pouvoir d'absorption. Les résultats ont été répétés à 50°, 100° et 150°C (122°, 212° et 302°F). L'effet dépend de l'angle du champ magnétique, ce qui ouvre de nombreuses possibilités de réglage fin.

Outre de petites choses comme aider l'humanité à sevrer des combustibles fossiles, ces travaux pourraient conduire à de nouvelles façons de fabriquer des capes d'invisibilité, absorbant des longueurs d'onde spécifiques tout en empêchant leur émission.

L'étude est publiée dans Nature Photonics.