トポロジカル効果による非相反熱放射の解明

点击翻译按钮获取中文摘要

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。