Una nova eina analítica aclareix el paper de la pèrdua òptica en la transferència de calor de camp pròxim en diferents materials

L'interès per estudiar la transferència radiativa de calor de camp pròxim (NFRHT per les seves sigles en anglès) i la transferència de calor entre objectes separats per espais submicrométricos ha augmentat considerablement en els últims anys. La NFRHT exhibeix altes densitats tèrmiques i, en teoria, aquest procés pot proporcionar millors eficiències termodinàmiques i pot tenir un impacte significatiu i millorar dràsticament el rendiment de diferents aplicacions que van des de des de la captació d'energia amb sistemes termofotovoltaics fins a la nanolitografia assistida per calor.

Segons les teories actuals, els modes electromagnètics evanescents, que es presenten en forma de polaritons, juguen un paper clau en el procés de transferència òptima de calor entre dos cossos en l'àmbit del camp pròxim. Aquests polaritons,  partícules híbrides formades per un fotó acoblat a un dipol elèctric i que poden ocórrer en materials plasmònics i polars, són excitacions que exhibeixen una intensitat màxima en la interfície entre dos cossos i decauen i desapareixen exponencialment a mesura que s’allunyen del punt.

Aquests modes evanescents poden originar-se de dues formes diferents en funció del material del qual estiguem parlant. En els metalls poden generar-se a partir de plasmons-polaritons superficials (la ressonància en aquest cas és causada per l'oscil·lació dels electrons que interactuen amb la llum), mentre que en el cas del dielèctric polar, aquests modes ressonants ocorren com a polaritons de fonons (que s'originen a partir de l'acoblament de les oscil·lacions col·lectives dels desplaçaments dels àtoms amb la llum).

Entre les característiques de la ressonància d’aquests modes evanescents, la seva amplada de de banda juga un paper clau en la transferència de calor de camp pròxim. De fet, l'amplada de banda de la ressonància està relacionada amb la pèrdua òptica en el material, que se sap que permet l'emissió tèrmica en primer lloc, així com l'absorció en qualsevol estructura il·luminada per la llum. Per a caracteritzar quantitativament aquesta característica, els autors es basen en el factor de qualitat del material (l'anomenat factor Q) de la ressonància del polaritó. Aquest paràmetre està inversament relacionat amb l'amplada de banda de la ressonància i, per tant, amb la pèrdua òptica: com més gran sigui el factor Q, més aguda serà la ressonància.

Fins ara, els estudis mostraven que la pèrdua òptica, la temperatura i altres propietats dielèctriques estaven interrelacionades de forma matemàtica en uns formalismes que no facilitaven la comprensió profunda dels fonaments de la NFHRT.

Ara, els investigadors del ICFO Mariano Pascale i la professora Geòrgia T. Papadakis han descrit en un nou article publicat en la revista Physical Review Applied un nou marc analític per a la NFRHT en materials polaritónicos que utilitza les maneres evanescents en una configuració plana (dos plans ideals separats per una distància nanomètrica que s'estenen gairebé infinitament) . Aquest nou marc permet explicar la NFHRT d'una manera més completa.

Els investigadors han desenvolupat en l’estudi un nou formalisme que diferencia per primera vegada el paper de la pèrdua òptica d'altres característiques de dispersió dels materials, així com de la temperatura. Els autors mostren en el treball publicat que el factor Q per si sol no és suficient per a descriure amb precisió la NFRHT. Per a completar el marc analític de la NFRHT, han introduït el paràmetre de residu de material B, una quantitat independent de les pèrdues que abasta propietats crítiques en materials polaritónics, és a dir, la freqüència de ressonància i l'ample espectral de l'anomenada banda Reststrahlen.

Els autors de l'estudi han obtingut una expressió de caràcter universal que relaciona el factor Q òptim amb el residu de material B, identificant així la millor interacció entre la pèrdua òptica i la freqüència de ressonància que permet la màxima transferència de calor de camp pròxim. Amb aquest nou formalisme, els investigadors també han pogut establir els límits superiors (la conductància tèrmica màxima assolible) per a cada material analitzat.

Segons el primer autor de l'estudi, Mariano Pascale, aquest nou formalisme “aclareix el paper que tenen diverses característiques de dispersió del material, com la pèrdua òptica i el factor de qualitat del material per a la transferència de calor de camp pròxim”.

Tal i com destaquen els investigadors, “el desacoblament de la temperatura, el factor de qualitat del material i el residu del material (..) permet una classificació quantitativa dels diferents materials com a candidats a una NFRHT a mesura”.

Amb l'anàlisi i el formalisme descriptiu addicional descrit en el treball es pot identificar la característica òptima dels diferents materials, amb independència de la temperatura, que maximitza la NFRHT i veure també com canvia aquest procés amb la pèrdua òptica.

L'estudi inclou l'anàlisi i la classificació de  diversos emissors polaritónics, com el Carbur de Silici (Sic), el Nitrur de Bor hexagonal (h-BN) i els semiconductors dopats, així com de materials plasmónics (metalls) com l'Or (Au) i la Plata (Ag).

"En eliminar de l'equació la dependència de la pèrdua òptica, podem classificar sistemàticament i quantitativa una àmplia gamma de materials polars i plasmónics rellevants per a la transferència de calor radiativa de camp pròxim", explica Mariano Pascale.

El nou formalisme “ofereix una descripció compacta i robusta d'aquest efecte i concorda de manera excel·lent amb l'electrodinàmica fluctuacional”, conclou l'investigador del ICFO.

Article original

Pascale, M. Papadakis, G. (2023) Tight bounds and the role of optical loss in polariton-mediated near field heat transfer. Physical Review Applied, 19. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.034013