La ley de la radiación térmica de Kirchhoff existe desde hace 160 años. Afirma, de manera bastante simple, que la capacidad de una superficie para absorber calor debe coincidir con su capacidad para emitirlo en la misma longitud de onda y ángulo. Reciprocidad. Es una regla que hace que controlar la energía térmica parezca intentar retener el humo. Hemos encontrado soluciones antes. Fueron ineficientes. Eran volátiles.
Ahora tenemos una salida.
Un equipo internacional de investigadores ha publicado un estudio en Laser & Photonics Reviews que demuestra que se puede infringir esta ley de décadas de antigüedad. Al desacoplar la absorción de la emisión, han creado las condiciones para el calor programable.
El truco del imán
El avance no proviene de la química. Proviene de manipular la luz con un campo magnético.
Esto cambia todo acerca de cómo se comporta el calor. Ahora se puede controlar la dirección de la emisión. El interruptor se puede activar o desactivar. Y quizás lo más sorprendente es que el sistema recuerda su estado incluso después de que se corta el suministro eléctrico.
“Hicimos que la radiación térmica se comportara de forma más inteligente”, afirma Shunsuke Murai, físico de la Universidad Metropolitana de Osaka.
El dispositivo que hace esto posible es una metarrelación. Es una bestia híbrida. Combina una sustancia magnetoóptica con un material de cambio de fase.
Piense en el componente de cambio de fase como un banco de memoria. Si le gustan los medios físicos, esta parte puede resultarle familiar. La aleación utilizada aquí es Ge₂Sb₂Te₅. Eso es germanio, antimonio y telerio. Es el material exacto que se utiliza en los CD y DVD regrabables para almacenar datos. Cambia entre estados desordenados (amorfos) y ordenados (cristalinos).
La parte de la “rejilla” es la otra mitad de la ecuación. Pequeñas crestas diseñadas con precisión atrapan y canalizan la luz entrante. Esto hace que la interacción sea manejable de una manera que los sistemas anteriores no lo eran.
Ajustar la temperatura
¿Cómo funciona realmente la calefacción programable en la práctica? No te limites a adivinar. Tú te adaptas.
Modificando tres cosas, los investigadores pueden programar el comportamiento de absorción deseado:
– El ángulo de la luz incidente.
– La fuerza del campo magnético aplicado.
– Las dimensiones físicas de las crestas de las rejillas.
Haga eso y obtendrá absorción sin emisión recíproca. La longitud de onda operativa del absorbente no recíproco se desplaza a lo largo de un amplio rango espectral con solo cambiar el ángulo.
Esa flexibilidad sugiere aplicaciones mucho más allá del laboratorio. Sensores infrarrojos inteligentes. Dispositivos de energía térmica más eficientes. Tecnología de memoria fotónica que almacena información utilizando luz y calor en lugar de cargas eléctricas.
“Nuestro objetivo final es desarrollar dispositivos compactos que controlen activamente la radiación de calor, de forma muy parecida a como los circuitos electrónicos controlan el flujo de electricidad”. – Koichi Okamoto, Universidad Metropolitana de Osaka
La captura
Es teórico en este momento.
La física y las matemáticas son sólidas. Los modelos son rigurosos. Pero todavía no existe un prototipo físico. Estamos en la fase de “allanar el camino”.
Y no está exento de fricciones. Los investigadores señalan en su artículo que el estudio se centró en gran medida en la absorción. Las emisiones se supusieron en lugar de explorarse en detalle. Además, necesita un campo magnético externo para que esto suceda. Eso es un problema. Un componente extra. Un obstáculo potencial.
Pero dado que las leyes de la física fueron creadas para ser cuestionadas, es difícil argumentar que eso es un factor decisivo.
Este trabajo establece un marco para el control térmico activo y no recíproco. La fotónica térmica a escala de chip está en el horizonte. La pregunta no es si esto funciona sobre el papel. Se trata de si podemos construirlo.
