熱は日常的に出会うものだ。コーヒーは冷め、ラップトップは熱くなり、太陽は地球を巨大なピザに変える。しかし、人間の髪の毛よりも小さい距離にズームインすると、熱は物理学のマニュアルを忘れたかのような振る舞いを始める。

カーネギーメロン大学、スタンフォード大学、パデュー大学の研究者たちは、ナノスケールで熱を制御する強力な新しい方法を実証し、Natureに発表した。彼らは、特別に設計されたメタマテリアルを用いて、熱伝達を意図的に操作し、大幅に強化できるという強力な実験的証拠を提供した。

鍵となるのは、近接場放射熱伝達と呼ばれる現象だ。2つの物体がわずか数百ナノメートル離れていると、熱は電磁波を介してギャップをトンネルする。これは、通常の熱放射のように振る舞うよりもはるかに効率的だ。

科学者たちはこれを何年も前から知っていたが、それを劇的に増幅できることを証明するのは困難だった。そこに登場するのがメタマテリアルだ。微細な繰り返し構造を持つ人工材料で、エネルギーと高度に制御された方法で相互作用する。

「微細な金の構造を薄膜にパターン化し、ナノスケールのギャップを挟んで向かい合わせに配置しました」と、カーネギーメロン大学の機械工学教授で上級著者のSheng Shen氏は語る。「これにより、メタマテリアルを使わない同様のセットアップと比較して、熱伝達が最大4倍に増加しました。これは、より大きな距離での従来の物理学の予測をはるかに超えています。」

単に熱の経路を増やすだけではない。金の構造は、材料内の自然なエネルギー波（表面フォノン・ポラリトンと呼ばれる）と相互作用し、共鳴効果を生み出す。「これらの結合振動により、エネルギーがギャップをより自由かつ効率的に移動できるようになります」と、博士課程の学生で共同筆頭著者のZexiao Wang氏は述べる。

「これは協力効果です」とShen氏は付け加える。「構造と材料が互いに増幅し合うのです。」

応用の可能性としては、ますます小型化・高温化するコンピュータチップの冷却改善、熱を電気に変換する熱光起電力システムの改良、環境モニタリングから国家安全保障まで幅広い用途の赤外線センシングの高精細化などが挙げられる。

今のところ、これはナノスケールで注意深く制御された実験室条件下でのみ機能するが、理論から現実の実証への一歩を示している。「熱が電気や光と同じ精度で工学できるようになれば、熱に耐えるだけでなく、それを利用する新しいクラスの技術への扉が開かれるかもしれません」とShen氏は語る。

この研究は、国防脅威削減局、国立科学財団、空軍科学研究局の支援を受けた。対応著者はSheng Shen氏とShanhui Fan氏。Zexiao Wang氏、Renwen Yu氏、Hakan Salihoglu氏が同等の貢献をした。