Theoretical description of radiative heat transfer: Exploring the limits of Planck's law

• Autores: Víctor Fernández-Hurtado
• Directores de la Tesis: Juan Carlos Cuevas Rodríguez (dir. tes.), Francisco J. García Vidal (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2018
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 200
• Tribunal Calificador de la Tesis: Ceferino López Fernández (presid.), Esteban Moreno Soriano (secret.), Francisco Javier García de Abajo (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física de la Luz y la Materia por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Esta tesis está dedicada al estudio teórico de la transferencia radiativa de calor entre dos objetos. La radiación térmica es un fenómeno físico universal que juega un papel crucial en muchas áreas de la ciencia y la ingeniería. Hasta hace poco, el análisis de la radiación térmica estaba basado fundamentalmente en la famosa ley de Planck y en el concepto de cuerpo negro, que es un objeto ideal capaz de absorber toda la radiación que incide en él. En concreto, la ley de Planck establece una cota superior para la energía térmica que pueden intercambiar dos objetos por radiación. Sin embargo, como el propio Planck reconoció, esta ley fundamental tiene limitaciones y, en principio, sólo es válida cuando todas las dimensiones del problema son mayores que la denominada longitud de onda térmica (λTh), que es alrededor de 10 micras a temperatura ambiente. Esta tesis tiene el propósito de explorar los límites de la ley de Planck y está centrada en analizar dos regímenes en los que esta ley no es válida. En primer lugar, estudiamos la transferencia radiativa de calor entre dos objetos en distintas situaciones en las que la distancia de separación entre ellos es menor que λTh. En este caso, es bien conocido que la transferencia radiativa de calor puede estar dominada por el llamado campo cercano en forma de ondas evanescentes, y el límite Planckiano puede ser ampliamente sobrepasado acercando lo suficiente los dos objetos. Por otro lado, estudiamos también la transferencia radiativa de calor entre objetos cuyas dimensiones características son más pequeñas que λTh. En este límite también se espera que la ley de Planck falle incluso en el campo lejano, es decir, cuando la separación entre los objetos es mayor que λTh. En este sentido, presentamos en la tesis un análisis exhaustivo de la transferencia radiativa de calor entre objetos pequeños en el campo lejano y mostramos por primera vez que el límite Planckiano puede ser también superado en este régimen.

    El primer capítulo de esta tesis presenta una introducción general al campo de la transferencia radiativa de calor. Incluye un breve repaso histórico y explica en términos generales el estado del campo. En el segundo capítulo, estudiamos la radiación térmica de una lámina delgada de sílice (SiO2) en el campo cercano, es decir, cuando la distancia entre la lámina y otro cuerpo es menor que λTh. Para ello, hemos llevado a cabo un estudio fundamental en colaboración con los grupos experimentales de los profesores Pramod Reddy y Edgar Meyhofer (Universidad de Míchigan, Ann Arbor, EEUU) que demuestra que una lámina de grosor nanométrico de SiO2 es capaz de transferir la misma energía radiativa que una muestra del material en volumen siempre y cuando la distancia que la separa de otro objeto sea menor que el grosor de la lámina. En el siguiente capítulo, presentamos un análisis teórico sobre cómo se modifica la transferencia de calor en el campo cercano cuando se aplica un campo magnético. En concreto, nuestro estudio muestra que la energía radiativa transferida entre dos placas paralelas puede reducirse hasta un factor 7 debido a la aplicación de un campo magnético de unos pocos Teslas.

    En el cuarto capítulo investigamos la transferencia radiativa de calor entre dos metasuperficies de silicio dopado que contienen una red periódica bidimensional de agujeros. Demostramos teóricamente que la conductancia térmica en el campo cercano entre estas metasuperficies es mucho mayor que la de cualquier otro material sin estructurar. El quinto capítulo está centrado en analizar, en colaboración con el grupo experimental mencionado anteriormente, la transferencia radiativa de calor en el régimen de campo cercano extremo, es decir, cuando la distancia entre dos objetos es menor a 10 nm. Mostramos por primera vez que la teoría denominada “fluctuational electrodynamics” es capaz de describir la transferencia radiativa de calor entre tanto metales como dieléctricos polares en este régimen. Además, nuestro estudio sugiere que las altas conductancias térmicas medidas por experimentos previos y que muestran grandes diferencias con las predicciones de esta teoría surgen debido a la presencia de contaminación superficial en los dispositivos empleados.

    En los últimos capítulos del manuscrito analizamos la transferencia de calor entre objetos cuyas dimensiones son menores que λTh, centrándonos en el régimen de campo lejano. Para ello, en el sexto capítulo derivamos una relación entre la transferencia radiativa de calor en el campo lejano y la eficiencia de absorción direccional de los objetos involucrados. Utilizando este resultado, demostramos que las teorías estándar de radiación térmica son incapaces de predecir correctamente el intercambio radiativo de calor en el campo lejano entre micro- y nanoestructuras. Es más, mostramos por primera vez que la transferencia radiativa de calor en el campo lejano puede sobrepasar el límite Planckiano en órdenes de magnitud. En el séptimo capítulo exploramos los límites de la transferencia radiativa súper Planckiana en el campo lejano con la ayuda de materiales bidimensionales como el grafeno y las monocapas de fósforo negro. En concreto, mostramos que la transferencia radiativa de calor entre sistemas de grosor atómico puede ser más de 7 órdenes de magnitud mayor que el límite teórico establecido por la ley de Planck para cuerpos negros. Finalmente, en el octavo capítulo presentamos las conclusiones generales de la tesis y una breve perspectiva sobre el futuro del campo.