Kirchhoffův zákon tepelného záření existuje již 160 let. Jeho podstata je jednoduchá: schopnost povrchu absorbovat teplo musí přesně odpovídat jeho schopnosti ho vyzařovat na stejné vlnové délce a pod stejným úhlem. Princip reciprocity. Díky tomuto pravidlu je ovládání tepelné energie jako pokus držet v rukou kouř. V minulosti jsme našli řešení, která však byla neúčinná a neudržitelná.
Nyní máme řešení.
Mezinárodní tým výzkumníků publikoval v časopise Laser & Photonics Reviews studii, která dokazuje, že tento desítky let starý zákon lze porušit. Oddělením absorpce od záření vytvořili podmínky pro programovatelné teplo.
Magnetický trik
Průlom nespočívá v chemii, ale v ovládání světla pomocí magnetického pole.
To mění všechny představy o chování tepla. Nyní lze ovládat směr záření. Stav lze přepnout. A co je možná nejpřekvapivější, systém si pamatuje svůj stav i po vypnutí napájení.
„Donutili jsme tepelné záření, aby se chovalo inteligentněji,“ říká Shunsuke Murai, fyzik z Osaga Metropolitan University.
Zařízení, které to poskytuje, je metagrid. Jedná se o hybridní mechanismus, který kombinuje magnetooptický materiál s materiálem s fázovou změnou.
Pokud komponent fázového přechodu považujeme za paměťovou banku, pak může vzhledem připomínat fyzické paměťové médium. Zde použitá slitina je Ge₂Sb₂Te₅. Jedná se o germanium, antimon a telur. Stejný materiál, který se používá na přepisovatelných CD a DVD pro ukládání dat. Přepíná mezi neuspořádanými (amorfními) a uspořádanými (krystalickými) stavy.
„Mřížová“ část rovnice je druhá polovina systému. Drobné, precizně navržené hřebínky zachycují a usměrňují přicházející světlo. Díky tomu je interakce ovladatelná, na rozdíl od předchozích systémů.
Nastavení teploty
Jak přesně programovatelné teplo v praxi funguje? Nejen hádáte, ale nastavujete.
Změnou tří parametrů mohou výzkumníci naprogramovat požadované absorpční chování:
– Úhel dopadu světla.
– Síla aplikovaného magnetického pole.
– Fyzické rozměry hřebenů mřížek.
Tím získáte absorpci bez vzájemného záření. Pracovní vlnová délka nekoherentního absorbéru se posouvá v širokém spektrálním rozsahu jednoduše změnou úhlu.
Tato flexibilita otevírá možnosti daleko za hranicemi laboratoří. Inteligentní infračervené senzory. Efektivnější zařízení pro tepelnou energii. Technologie fotonické paměti, které ukládají informace pomocí světla a tepla spíše než pomocí elektrických nábojů.
“Naším konečným cílem je vyvinout kompaktní zařízení pro aktivní řízení tepelného záření, podobně jako elektronické obvody řídí tok elektřiny.” — Kochi Okamoto, Osaga Capital University
Úskalí
To je zatím teorie.
Fyzika a matematika jsou silné. Modely jsou přísně ověřeny. Žádný fyzický prototyp ale zatím neexistuje. Jsme ve fázi „rozpálené cesty“.
A nejde to bez tření. Ve svém článku vědci poznamenávají, že studie se silně zaměřila na absorpci. Radiace byla spíše předpokládána, než podrobně studována. Navíc vyžaduje vnější magnetické pole. To je komplikace. Přídavná součást. Potenciální překážka.
Ale vzhledem k tomu, že fyzikální zákony jsou navrženy tak, aby se daly zpochybnit, je těžké tvrdit, že jde o nepřekonatelnou překážku.
Tato práce pokládá základ pro aktivní nekoherentní tepelnou regulaci. Čipová termální fotonika je na obzoru. Otázka není, jestli to funguje na papíře. Otázkou je, zda to dokážeme postavit.
