La loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique existe depuis 160 ans. Il stipule tout simplement que la capacité d’une surface à absorber la chaleur doit correspondre à sa capacité à l’émettre à la même longueur d’onde et au même angle. Réciprocité. C’est une règle qui donne l’impression de contrôler l’énergie thermique comme d’essayer de retenir la fumée. Nous avons déjà trouvé des solutions de contournement. Ils étaient inefficaces. Ils étaient volatiles.
Maintenant, nous avons une issue.
Une équipe internationale de chercheurs a publié une étude dans Laser & Photonics Reviews démontrant qu’il est possible d’enfreindre cette loi vieille de plusieurs décennies. En dissociant l’absorption des émissions, ils ont créé les conditions d’une chaleur programmable.
L’astuce de l’aimant
La percée ne vient pas de la chimie. Cela vient de la manipulation de la lumière avec un champ magnétique.
Cela change tout dans le comportement de la chaleur. La direction d’émission peut désormais être contrôlée. L’interrupteur peut être activé ou désactivé. Et ce qui est peut-être le plus surprenant, c’est que le système se souvient de son état même après une coupure de courant.
“Nous avons fait en sorte que le rayonnement thermique se comporte de manière plus intelligente”, explique Shunsuke Murai, physicien à l’Université métropolitaine d’Osaka.
Le dispositif qui rend cela possible est un métaréseau. C’est une bête hybride. Il combine une substance magnéto-optique avec un matériau à changement de phase.
Considérez le composant à changement de phase comme une banque de mémoire. Si vous utilisez des supports physiques, cette partie peut vous sembler familière. L’alliage utilisé ici est le Ge₂Sb₂Te₅. C’est du germanium, de l’antimoine et du tellium. C’est le matériau exact utilisé dans les CD et DVD réinscriptibles pour stocker des données. Il bascule entre les états désordonnés (amorphes) et ordonnés (cristallins).
La partie « réseau » constitue l’autre moitié de l’équation. De minuscules crêtes conçues avec précision piègent et canalisent la lumière entrante. Cela rend l’interaction gérable d’une manière que les systèmes précédents ne l’étaient pas.
Réglage de la température
Comment le chauffage programmable fonctionne-t-il réellement dans la pratique ? Vous ne vous contentez pas de deviner. Vous vous ajustez.
En modifiant trois éléments, les chercheurs peuvent programmer le comportement d’absorption souhaité :
– L’angle de la lumière incidente.
– La force du champ magnétique appliqué.
– Les dimensions physiques des crêtes du réseau.
Faites cela et vous obtenez une absorption sans émission réciproque. La longueur d’onde de fonctionnement de l’absorbeur non réciproque se déplace sur une large plage spectrale simplement en changeant l’angle.
Cette flexibilité suggère des applications bien au-delà du laboratoire. Capteurs infrarouges intelligents. Des appareils à énergie thermique plus efficaces. Technologie de mémoire photonique qui stocke les informations en utilisant la lumière et la chaleur plutôt que des charges électriques.
“Notre objectif ultime est de développer des dispositifs compacts qui contrôlent activement le rayonnement thermique, un peu comme les circuits électroniques contrôlent le flux d’électricité.” – Koichi Okamoto, Université métropolitaine d’Osaka
La prise
C’est théorique pour le moment.
La physique et les mathématiques sont solides. Les modèles sont rigoureux. Mais il n’existe pas encore de prototype physique. Nous sommes dans la phase « ouvrir la voie ».
Et ce n’est pas sans friction. Les chercheurs notent dans leur article que l’étude s’est fortement concentrée sur l’absorption. L’émission a été supposée plutôt qu’explorée en détail. De plus, vous avez besoin d’un champ magnétique externe pour que cela se produise. C’est une ride. Un composant supplémentaire. Un obstacle potentiel.
Mais étant donné que les lois de la physique ont été conçues pour être contestées, il est difficile de prétendre qu’il s’agit d’un problème.
Ce travail établit un cadre pour un contrôle thermique actif et non réciproque. La photonique thermique à l’échelle d’une puce se profile à l’horizon. La question n’est pas de savoir si cela fonctionne sur papier. Il s’agit de savoir si nous pouvons le construire.
