Cercetătorii au creat un material programabil care oferă un control fără precedent asupra căldurii

Adaugă-ne ca sursă preferată în Google

Urmărește-ne in Discover

Oamenii de știință au creat un material programabil care poate dirija căldura la cerere, având potențialul de a transforma totul, de la sistemele energetice la senzorii în infraroșu și dispozitivele de memorie de nouă generație.

În mod normal, căldura urmează reguli stricte. Un material care absoarbe eficient căldura dintr-o anumită direcție și la o anumită lungime de undă emite, de asemenea, căldură în același mod. Acest principiu fundamental, cunoscut sub numele de reciprocitate, i-a împiedicat mult timp pe oamenii de știință să controleze în mod independent modul în care căldura este absorbită și eliberată.

Ruperea acestei legături ar putea deschide calea către o clasă cu totul nouă de tehnologii. Dacă materialele ar putea absorbi căldura dintr-o direcție și ar emite-o în altă direcție, inginerii ar putea dirija energia termică cu o precizie fără precedent, ceea ce ar duce la progrese în gestionarea termică, conversia energiei, detectarea în infraroșu și comunicarea termică.

Cercetătorii de la Universitatea Metropolitană din Osaka au dezvoltat un dispozitiv termic programabil care poate controla direcția de radiație a căldurii și își păstrează configurația chiar și după întreruperea alimentării cu energie, relatează Tom’s Hardware.

Lucrarea, publicată în revista Laser & Photonics Reviews, depășește două obstacole de lungă durată care au împiedicat realizarea practică a dispozitivelor termice nereciproce.

Dispozitivul combină un material magneto-optic (care își modifică proprietățile optice în prezența unui câmp magnetic) cu un material cu schimbare de fază, mai exact germaniu-antimoniu-telur (GST), pentru a controla în mod independent modul în care o suprafață absoarbe și emite radiații în infraroșu. Spre deosebire de modelele anterioare, care își pierdeau funcționalitatea odată cu întreruperea alimentării cu energie sau funcționau doar când lumina lovea suprafața sub unghiuri extreme, cercetătorii afirmă că dispozitivul lor funcționează aproape continuu și își păstrează starea programată fără un aport continuu de energie.

Cercetătorii au explorat mai multe modalități de a realiza acest lucru prin încălcarea reciprocității Lorentz, principiul fizic care leagă undele electromagnetice de intrare și de ieșire.

Echipa de la Universitatea Metropolitană din Osaka a abordat ambele limitări prin combinarea a două materiale care îndeplinesc roluri complementare. Primul este arseniura de indiu (InAs), un semiconductor magneto-optic a cărui interacțiune cu lumina infraroșie se modifică în prezența unui câmp magnetic. În loc să permită luminii să se comporte identic în toate direcțiile, materialul introduce o asimetrie direcțională care permite un comportament termic nereciproc. Al doilea ingredient este GST, un material cu schimbare de fază care poate comuta reversibil între stările amorfă și cristalină. El își modifică dramatic proprietățile optice și păstrează totodată starea în care a fost programat, chiar și după întreruperea alimentării cu energie.

Cercetătorii au structurat GST într-o rețea microscopică deasupra stratului de InAs, formând ceea ce ei descriu drept o metarețea magneto-optică. InAs asigură controlul direcțional necesar pentru a separa absorbția de căldură de emisia de căldură, în timp ce stratul de GST acționează ca un comutator nevolatil care stochează modul de funcționare al dispozitivului. Aplicarea unui câmp magnetic reglează modul în care radiația infraroșie interacționează cu structura, iar schimbarea fazei GST modifică permanent acest comportament până când este rescris în mod intenționat. În esență, dispozitivul poate fi programat să emită căldură diferit și să păstreze acea configurație fără a necesita energie continuă.

Cercetătorii deschid astfel calea către un viitor în care căldura poate fi manipulată cu același nivel de precizie pe care electronica îl folosește pentru a controla electricitatea.

Deși tehnologia se află încă într-un stadiu incipient de demonstrație științifică, capacitatea de a programa radiația termică ar putea deveni valoroasă în domeniul computerelor, pe măsură ce procesoarele continuă să integreze tot mai mulți tranzistori, chipleturi și componente fotonice în pachete din ce în ce mai compacte. Viitoarele interfețe termice ar putea oferi inginerilor un alt instrument pentru a îndepărta căldura de punctele fierbinți, pentru a reduce interferențele termice dintre chipleturile învecinate sau pentru a stabiliza dispozitivele fotonice din siliciu ale căror caracteristici optice se modifică odată cu temperatura.

Dincolo de domeniul calculatoarelor, cercetătorii prevăd, de asemenea, aplicații în răcirea radiativă, conversia energiei termofotovoltaice, emițătoarele de infraroșu, sistemele de comunicații termice și tehnologiile de memorie fotonică.

Deocamdată însă, cercetarea rămâne la nivelul demonstrației de laborator, nefiind o tehnologie gata de implementare. Rămân de depășit provocări inginerești considerabile înainte ca emițătoarele termice programabile să își găsească locul în electronica comercială.