De wet van Kirchhoff over thermische straling bestaat al 160 jaar. Het stelt heel eenvoudig dat het vermogen van een oppervlak om warmte te absorberen, moet overeenkomen met het vermogen om het onder dezelfde golflengte en onder dezelfde hoek uit te zenden. Wederkerigheid. Het is een regel die ervoor zorgt dat het beheersen van thermische energie voelt als proberen rook vast te houden. We hebben al eerder oplossingen gevonden. Ze waren inefficiënt. Ze waren vluchtig.
Nu hebben we een uitweg.
Een internationaal team van onderzoekers heeft een onderzoek gepubliceerd in Laser & Photonics Reviews waaruit blijkt dat je deze decennia-oude wet kunt overtreden. Door absorptie en emissie te ontkoppelen, hebben ze de voorwaarden gecreëerd voor programmeerbare warmte.
De magneettruc
De doorbraak komt niet van de chemie. Het komt voort uit het manipuleren van licht met een magnetisch veld.
Dit verandert alles over hoe warmte zich gedraagt. De richting van de emissie kan nu worden gecontroleerd. De schakelaar kan worden in- of uitgeschakeld. En wellicht het meest verrassend is dat het systeem zijn status onthoudt, zelfs nadat de stroom is uitgevallen.
“We hebben ervoor gezorgd dat warmtestraling zich slimmer gedraagt”, zegt Shunsuke Murai, natuurkundige aan de Osaka Metropolitan University.
Het apparaat dat dit mogelijk maakt, is een metagrating. Het is een hybride beest. Het combineert een magneto-optische substantie met een faseveranderingsmateriaal.
Beschouw de faseveranderingscomponent als een geheugenbank. Als je van fysieke media houdt, komt dit onderdeel je misschien bekend voor. De hier gebruikte legering is Ge₂Sb₂Te₅. Dat zijn germanium, antimoon en tellerium. Het is precies het materiaal dat wordt gebruikt op herschrijfbare cd’s en dvd’s om gegevens op te slaan. Het schakelt tussen ongeordende (amorfe) en geordende (kristallijne) toestanden.
Het “rooster” -gedeelte is de andere helft van de vergelijking. Kleine, nauwkeurig ontworpen ribbels vangen het binnenkomende licht op en kanaliseren. Dit maakt de interactie beheersbaar op een manier waarop eerdere systemen dat niet waren.
De temperatuur afstemmen
Hoe werkt programmeerbare warmte eigenlijk in de praktijk? Je raadt het niet zomaar. Jij past je aan.
Door drie dingen aan te passen, kunnen onderzoekers het gewenste absorptiegedrag programmeren:
– De hoek van het invallende licht.
– De sterkte van het aangelegde magnetische veld.
– De fysieke afmetingen van de roosternokken.
Doe dat en je krijgt absorptie zonder wederzijdse emissie. De operationele golflengte van de niet-reciproke absorber verschuift over een breed spectraal bereik, alleen al door de hoek te veranderen.
Die flexibiliteit suggereert toepassingen tot ver buiten het laboratorium. Slimme infraroodsensoren. Efficiëntere thermische energie-apparaten. Fotonische geheugentechnologie die informatie opslaat met behulp van licht en warmte in plaats van elektrische ladingen.
“Ons uiteindelijke doel is het ontwikkelen van compacte apparaten die de warmtestraling actief controleren, net zoals elektronische circuits de stroom van elektriciteit regelen.” – Koichi Okamoto, Osaka Metropolitan University
De vangst
Het is momenteel theoretisch.
De natuurkunde en wiskunde zijn solide. De modellen zijn streng. Maar er is nog geen fysiek prototype. We bevinden ons in de fase van ‘het pad effenen’.
En dat gaat niet zonder wrijving. De onderzoekers merken in hun artikel op dat het onderzoek sterk gericht was op absorptie. Er werd uitgegaan van een veronderstelling in plaats van dat de emissie tot in detail werd onderzocht. Om dit mogelijk te maken, heb je ook een extern magnetisch veld nodig. Dat is een rimpel. Een extra onderdeel. Een potentiële hindernis.
Maar gezien het feit dat de wetten van de natuurkunde zijn gebouwd om uitgedaagd te worden, is het moeilijk te beweren dat dit een dealbreaker is.
Dit werk schept een raamwerk voor actieve, niet-wederkerige thermische controle. Thermische fotonica op chipschaal is in aantocht. De vraag is niet of dit op papier werkt. Het gaat erom of we het kunnen bouwen.
