About coupled dipole methods, the role of vacuum fluctuations in heat flux fluctuations, and radiative force fluctuations for arbitrary objects and environments out of equilibrium

Abstract

The project focuses on the simulation of thermal radiation absorption by macroscopic objects of arbitrary geometry situated above a substrate. The object is divided into small volume units, called voxels, whose radiation behavior is approximated using the Discrete Dipole Approximation (DDA). The superposition of the signals from all dipoles allows for arbitrarily close approximation to the exact signal, with an increase in voxels leading to greater accuracy. The model developed during my PhD was extended to incorporate temperature profiles onto the approximated object and enable the use of non-reciprocal materials. Non-reciprocal materials violate time-reversal symmetry, meaning that the heat exchange between two objects, when their initial temperatures are swapped, is not simply the reversal of the heat flow. Within the project, the dissipated thermal radiation within an object above a substrate in a vacuum was tomographically mapped. This visualized the complex many-body interactions inside the object, which can be used to identify hotspots on disks or to find a more accurate approximation for a cantilever tip (relevant for thermal microscopy experiments). To achieve a desired distribution of the directed energy flux (Poynting vector) through a temperature distribution, a reverse-engineering procedure was developed for small temperature fluctuations. This method yields a temperature distribution that allows for particularly sharply directed or preferentially oriented thermal radiation, which is otherwise only achievable through special geometries or materials due to the inherent incoherence of thermal radiation. To minimize the influence of heat conduction relative to thermal radiation within the object, nanoparticles were arranged as a chain within an aerogel. Aerogels are extremely porous (up to 99% air) and are poor heat conductors. A chain made of Aluminum Nitride (AlN) showed a significant deviation from the usually observed linear temperature profile characteristic of heat conduction. Non-reciprocal materials can be used for directed heat current due to the breaking of time-reversal symmetry, enabling a thermal analog to the electrical Hall effect. This results in an additional heat flow perpendicular to an initially applied temperature gradient, even if the particles experiencing this additional flow are equidistant from the hotter and cooler sources. In magneto-optical materials, a perpendicularly applied magnetic field causes the free outer electrons to experience a Lorentz force and follow a circular motion. This creates a preferred direction for the thermal radiation. Currently within the return scholarship, in collaboration with a US experimental group, such a setup consisting of four magneto-optical disks is being simulated to model the expected measurement result. Das Projekt befasst sich mit der Simulation der Absorption von Wärmestrahlung durch makroskopische Objekte beliebiger Geometrie oberhalb eines Substrats. Das Objekt wird in kleine Volumeneinheiten, Voxel, unterteilt, deren Strahlungsverhalten mithilfe der Diskreten Dipolapproximation (DDA) genähert wird. Die Überlagerung der Signale aller Dipole ermöglicht eine beliebige Annäherung an das exakte Signal, wobei mehr Voxel die Genauigkeit erhöhen. Das in meiner Doktorarbeit entwickelte Modell wurde erweitert, um Temperaturverläufe an das genäherte Objekt anzulegen und die Verwendung von nicht-reziproken Materialien zu ermöglichen. Nicht-reziproke Materialien verletzen die Zeitumkehrsymmetrie, was bedeutet, dass der Wärmeaustausch zwischen zwei Objekten bei vertauschten Ausgangstemperaturen nicht einfach der Umkehrung des Wärmeflusses entspricht. Im Projekt wurde die dissipierte Wärmestrahlung in einem Objekt über einem Substrat im Vakuum tomographisch kartografiert. Dies visualisierte die komplexen Vielkörperwechselwirkungen innerhalb des Objekts, was zur Identifizierung von Hotspots in Scheiben oder einer genaueren Näherung für eine Kantilever-Spitze (relevant für Wärme-Mikroskopie-Experimente) genutzt werden kann. Um eine gewünschte Verteilung des gerichteten Energieflusses (Poynting-Vektor) durch eine Temperaturverteilung zu erzielen, wurde ein Reverse-Engineering-Verfahren für kleine Temperaturschwankungen entwickelt. Dieses Verfahren liefert eine Temperaturverteilung, die besonders scharf gerichtete oder vorzugsrichtungsbehaftete Wärmestrahlung ermöglicht, was aufgrund der inhärenten Inkohärenz der Wärmestrahlung sonst nur durch besondere Geometrien oder Materialien erreichbar ist. Um den Einfluss der Wärmeleitung gegenüber der Wärmestrahlung innerhalb eines Objekts zu minimieren, wurden Nanoteilchen als Kette in einem Aerogel angeordnet. Aerogele sind extrem porös (bis zu 99% Luft) und leiten Wärme schlecht. Eine Kette aus Aluminiumnitrid (AlN) zeigte eine signifikante Abweichung vom üblicherweise beobachteten linearen Temperaturprofil der Wärmeleitung. Nicht-reziproke Materialien können aufgrund des Bruchs der Zeitumkehrsymmetrie für gerichteten Wärmestrom eingesetzt werden, was ein thermisches Analogon zum elektrischen Hall-Effekt ermöglicht. Dabei entsteht ein zusätzlicher Wärmefluss senkrecht zu einem initialen Temperaturgradienten, selbst wenn die Teilchen, die diesen zusätzlichen Fluss erfahren, denselben Abstand zu den heißeren und kühleren Quellen haben. Bei magnetooptischen Materialien führt ein senkrecht angelegtes Magnetfeld dazu, dass die freien Außenelektronen eine Lorentzkraft erfahren und einer zirkulären Bewegung folgen. Dies erzeugt eine Vorzugsrichtung für die Wärmestrahlung. Im Rahmen des Rückkehrstipendiums wird aktuell in Zusammenarbeit mit einer US-amerikanischen experimentellen Gruppe ein solches Setup aus vier magnetooptischen Scheiben simuliert, um das erwartete Messergebnis zu modellieren.