In fisica, la legge di Planck descrive la quantità di calore che può essere trasferita tra due oggetti quando la dimensione dello spazio tra gli oggetti è maggiore della lunghezza d'onda termica, che è di circa 10 micrometri a temperatura ambiente. Una ricerca precedente condotta da Sheng Shen, professore di ingegneria meccanica, ha scoperto che la legge di Planck può essere infranta su scala nanometrica:quando gli oggetti sono più vicini tra loro, l'emissione di energia supera le aspettative.

Ora, dopo anni di tentativi ed errori, il laboratorio di Shen ha fabbricato uno strumento avanzato per raccogliere la prima misurazione termica in campo vicino abilitata ai nanodispositivi. Le loro scoperte rivelano una visione completamente nuova della fisica del trasporto dell'energia all'interno dei nanodispositivi, una pietra miliare verso le applicazioni dei nanodispositivi per la conversione e la raccolta dell'energia.

"Volevamo superare il limite", ha affermato Sheng Shen, professore di ingegneria meccanica. "Possiamo ridurre sia il divario che l'oggetto per comprendere meglio il trasferimento di calore su scala nanometrica?"

Per esplorare questo, Xiao Luo, Ph.D. Un candidato in ingegneria meccanica ha costruito su misura una nuova piattaforma di nanodispositivi con termometria a riscaldamento sospeso per riportare la prima misurazione della radiazione termica del campo vicino tra due strutture sub-lunghezza d'onda.

"Ho superato molte difficoltà di fabbricazione, tra cui contaminazione, dispositivi rotti e membrane che si incollavano insieme", ha affermato Luo. "L'idea è che due minuscole membrane siano perfettamente allineate tra loro senza interferenze da parte di qualsiasi altro oggetto che potrebbe trasferire calore."

Luo ha utilizzato l'attacco chimico per sospendere le due membrane, una delle quali dotata di un sensore a lungo raggio per monitorare l'assorbimento del calore, rimuovendo la maggior parte del substrato. Ha poi misurato la radiazione termica tra i dispositivi a una varietà di distanze che vanno da circa 150 nm a 750 nm.

Rispetto alla radiazione teorica del corpo nero, il team ha dimostrato un miglioramento di 20 volte nel trasferimento di calore tra due superfici sub-lunghezza d'onda con uno spazio di separazione di 150 nm.

"La cosa sorprendente è che l'intera storia non ruota attorno alla dimensione del divario come pensavamo in precedenza", ha detto Shen. "Quando abbiamo reso l'oggetto più piccolo della lunghezza d'onda, la radiazione termica non è stata aumentata quanto previsto in base alla teoria per due oggetti di grandi dimensioni. I ricercatori devono analizzare sia la struttura che la fisica sottostante per comprendere questo fenomeno."

Luo e il team hanno convalidato i loro risultati utilizzando una simulazione computazionale.

Shen ritiene che ci vorranno altri 10 o 20 anni prima che i consumatori vedano un prodotto tangibile sviluppato tenendo presente questa fisica fondamentale, ma è fiducioso nel suo valore per l'ingegneria termica e la fotonica.

Il lavoro è pubblicato sulla rivista Nano Letters .