トポロジカル効果による非相反熱放射の解明

阐明拓扑效应引起的不可逆热辐射

基本信息

批准号：
22K04912
负责人：
小鍋哲
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Hosei University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

熱放射に関するキルヒホッフの法則(=熱平衡にある物体の吸収率と放射率は等しいという法則)は、プランクの熱放射則に並び熱平衡にある物体が熱放射を放つ際に満たすべき最も普遍的な物理法則であり、熱放射エネルギーの変換効率限界を決める。例えば、今日実用化されている太陽電池には、ショックレー・クワイサー(SQ)限界と呼ばれる電力変換効率の理論限界が存在するが、SQ限界を与えるエネルギー損失の主要原因の１つが、キルヒホッフの法則である。したがって、キルヒホッフの法則を破ることが可能になれば、太陽電池変換効率の飛躍的な増大につながるなど、これまでにない高効率な光起電力発電や光・熱エネルギーの利用が可能になる。本研究では、トポロジカル物質におけるキルヒホッフの法則が破れた熱放射、すなわち非相反熱放射を理論的に解明し、最も非相反性が大きくなる物質の探索や条件を明らかにすることを目的とする。本年度は、トポロジカル物質の1つである磁性ワイル半金属に注目し、その非相反性熱放射の解明に取り組んだ。先行研究により表面プラズモンによる非相反熱放射については明らかにされているが、本研究では、ワイル半金属に特有の表面状態(フェルミアーク状態)の集団励起であるフェルミアークプラズモンと非相反熱放射との関係について検討した。具体的には、物質表面の反射率を調べることで熱放射の非相反性を明らかにすることができるため、フェルミアークプラズモンの効果を適切に取り込み、ワイル半金属表面の反射率を計算する理論を構築した。

Kirchhoff关于热辐射的定律（=在热平衡中对物体的吸收和发射率相等的定律是相等的），与Planck的热辐射定律一致，是当热平衡中的对象发出热辐射时必须满足的最普遍的物理定律，并确定热辐射能量的转换效率的限制。例如，当今实际使用的太阳能电池具有称为Shockley Quiser（SQ）限制的电源转换效率的理论限制，但是赋予SQ限制的能源损失的主要原因之一是Kirchhoff定律。因此，如果有可能打破基尔乔夫定律，它将导致太阳能电池转换效率的急剧提高，从而使产生前所未有的高效光伏发电以及光和热能的使用。这项研究的目的是从理论上阐明损坏的热辐射，即在拓扑材料中的非重新辐射辐射，并阐明最非股本最非股的材料的搜索和条件。今年，我们专注于磁性半学，这是拓扑材料之一，并致力于阐明非重新性热辐射。先前的研究揭示了由表面等离子体引起的非转向热辐射，但是在这项研究中，我们研究了Fermiarc等离子体之间的关系，Fermiarc等离子体是对Weil半法的表面状态（Fermiarc State）的集体激发，而不是静脉半法和非核心热辐射。具体而言，由于可以通过检查材料表面的反射率来揭示热辐射的非循环系统，因此已经构建了理论以正确地纳入Fermiarc等离子体的效果并计算Weil semimetal表面的反射率。