Das Kirchhoffsche Gesetz der Wärmestrahlung gibt es seit 160 Jahren. Es besagt ganz einfach, dass die Fähigkeit einer Oberfläche, Wärme zu absorbieren, mit ihrer Fähigkeit übereinstimmen muss, sie bei derselben Wellenlänge und demselben Winkel abzustrahlen. Gegenseitigkeit. Es ist eine Regel, die die Kontrolle der thermischen Energie wie den Versuch vermittelt, den Rauch festzuhalten. Wir haben bereits Workarounds gefunden. Sie waren ineffizient. Sie waren volatil.
Jetzt haben wir einen Ausweg.
Ein internationales Forscherteam hat in Laser & Photonics Reviews eine Studie veröffentlicht, die zeigt, dass man dieses jahrzehntealte Gesetz brechen kann. Durch die Entkopplung der Absorption von der Emission haben sie die Voraussetzungen für programmierbare Wärme geschaffen.
Der Magnettrick
Der Durchbruch kommt nicht von der Chemie. Es entsteht durch die Manipulation von Licht mit einem Magnetfeld.
Dies verändert alles am Verhalten von Wärme. Die Emissionsrichtung kann nun gesteuert werden. Der Schalter kann ein- oder ausgeschaltet werden. Und vielleicht am überraschendsten ist, dass sich das System seinen Zustand auch nach einem Stromausfall merkt.
„Wir haben dafür gesorgt, dass sich die Wärmestrahlung intelligenter verhält“, sagt Shunsuke Murai, Physiker an der Osaka Metropolitan University.
Das Gerät, das dies ermöglicht, ist ein Metagrating. Es ist ein Hybridtier. Es kombiniert eine magnetooptische Substanz mit einem Phasenwechselmaterial.
Stellen Sie sich die Phasenwechselkomponente als eine Speicherbank vor. Wenn Sie sich für physische Medien interessieren, kommt Ihnen dieser Teil vielleicht bekannt vor. Die hier verwendete Legierung ist Ge₂Sb₂Te₅. Das sind Germanium, Antimon und Tellium. Dabei handelt es sich um genau das Material, das in wiederbeschreibbaren CDs und DVDs zum Speichern von Daten verwendet wird. Es wechselt zwischen ungeordneten (amorphen) und geordneten (kristallinen) Zuständen.
Der „Gitter“-Teil ist die andere Hälfte der Gleichung. Winzige, präzisionsgefertigte Rippen fangen das einfallende Licht ein und leiten es. Dadurch wird die Interaktion in einer Weise beherrschbar, wie es bei früheren Systemen nicht der Fall war.
Temperatur einstellen
Wie funktioniert programmierbare Wärme eigentlich in der Praxis? Sie raten nicht nur. Sie passen sich an.
Durch die Optimierung von drei Dingen können Forscher das gewünschte Absorptionsverhalten programmieren:
– Der Winkel des einfallenden Lichts.
– Die Stärke des angelegten Magnetfeldes.
– Die physikalischen Abmessungen der Gitterstege.
Wenn Sie das tun, erhalten Sie Absorption ohne gegenseitige Emission. Die Betriebswellenlänge des nichtreziproken Absorbers verschiebt sich allein durch die Änderung des Winkels über einen breiten Spektralbereich.
Diese Flexibilität ermöglicht Anwendungen weit über das Labor hinaus. Intelligente Infrarotsensoren. Effizientere Wärmeenergiegeräte. Photonische Speichertechnologie, die Informationen mithilfe von Licht und Wärme statt elektrischer Ladung speichert.
„Unser oberstes Ziel ist die Entwicklung kompakter Geräte, die die Wärmestrahlung aktiv steuern, ähnlich wie elektronische Schaltkreise den Stromfluss steuern.“ – Koichi Okamoto, Osaka Metropolitan University
Der Haken
Im Moment ist es theoretisch.
Die Physik und Mathematik sind solide. Die Modelle sind streng. Es gibt jedoch noch keinen physischen Prototyp. Wir befinden uns in der Phase der „Wegbereitung“.
Und es ist nicht ohne Reibung. Die Forscher stellen in ihrer Arbeit fest, dass sich die Studie stark auf die Absorption konzentrierte. Die Emission wurde eher angenommen als im Detail untersucht. Außerdem benötigen Sie dazu ein externes Magnetfeld. Das ist eine Falte. Eine zusätzliche Komponente. Eine potenzielle Hürde.
Aber angesichts der Tatsache, dass die Gesetze der Physik darauf ausgelegt sind, in Frage gestellt zu werden, kann man kaum behaupten, dass dies ein entscheidender Faktor ist.
Diese Arbeit schafft einen Rahmen für eine aktive, nicht-reziproke thermische Kontrolle. Die thermische Photonik im Chip-Maßstab ist in Sicht. Die Frage ist nicht, ob das auf dem Papier funktioniert. Es geht darum, ob wir es bauen können.
