Near-field radiative heat transfer with hyperbolic metamaterials

Abstract

Max Plancks bedeutende Schwarzkörper Theorie kann den Anstieg der strahlenden Wärmeübertragung zwischen eng aneinanderliegenden Körpern, bekannt als Nahfeld Wärmeübertragung, nicht erklären. Wir demonstrieren diesen Effekt mit Hilfe einer neuen, dynamischen Messmethode und messen Wärmeströme bis zu 16-mal größer als die Schwarzkörper Grenze. Wir zeigen, dass thermische Strahlung in hyperbolischen Metamaterialien (HMMs) – äußerst anisotropen Nanostrukturen – sehr stark ist und ihre Eigenschaften sich von Schwarzkörper Strahlung deutlich unterscheiden. Schließlich erweisen sich Nahfeld Wärmeströme zwischen HMMs als sehr stark und deren Eindringtiefe als vergleichsweise groß.

Despite its general significance, Max Planck’s blackbody theory cannot explain the increase in radiative heat flux between closely spaced bodies, known as near-field radiative heat transfer. We experimentally demonstrate this effect by utilizing a new, dynamic measuring technique and show heat fluxes up to 16 times above the blackbody limit. We also reveal that thermal radiation inside hyperbolic metamaterials (HMMs) – extremely anisotropic nanostructures – is very strong and has properties significantly different from blackbody radiation. Finally, near-field heat flux between HMMs turns out to be very strong and its penetration into the HMMs is comparatively large.