Prawo Kirchhoffa dotyczące promieniowania cieplnego obowiązuje od 160 lat. Jego istota jest prosta: zdolność powierzchni do pochłaniania ciepła musi dokładnie odpowiadać jej zdolności do emitowania go przy tej samej długości fali i pod tym samym kątem. Zasada wzajemności. Zasada ta sprawia, że kontrolowanie energii cieplnej przypomina próbę trzymania dymu w dłoniach. W przeszłości znaleźliśmy obejścia, ale były one nieskuteczne i niezrównoważone.
Teraz mamy rozwiązanie.
Międzynarodowy zespół naukowców opublikował badanie w czasopiśmie Laser & Photonics Reviews wykazujące, że to obowiązujące od kilkudziesięciu lat prawo można złamać. Oddzielając absorpcję od promieniowania, stworzyli warunki dla programowalnego ciepła.
Sztuczka magnetyczna
Przełom nie tkwi w chemii, ale w kontrolowaniu światła za pomocą pola magnetycznego.
Zmienia to wszelkie wyobrażenia na temat zachowania się ciepła. Teraz można kontrolować kierunek promieniowania. Stan można przełączyć. I, co być może najbardziej zaskakujące, system pamięta swój stan nawet po wyłączeniu zasilania.
„Sprawiliśmy, że promieniowanie cieplne zachowuje się bardziej inteligentnie” – mówi Shunsuke Murai, fizyk z Osaga Metropolitan University.
Urządzeniem, które to zapewnia, jest metasiatka. Jest to mechanizm hybrydowy, który łączy materiał magnetooptyczny z materiałem zmiennofazowym.
Jeśli uznamy element przejścia fazowego za bank pamięci, wówczas z wyglądu może przypominać fizyczne nośniki pamięci. Stosowanym tutaj stopem jest Ge₂Sb₂Te₅. Są to german, antymon i tellur. Ten sam materiał, który jest używany na płytach CD i DVD wielokrotnego zapisu do przechowywania danych. Przechodzi pomiędzy stanami nieuporządkowanymi (amorficznymi) i uporządkowanymi (krystalicznymi).
Część „kratowa” równania to druga połowa układu. Małe, precyzyjnie zaprojektowane grzebienie wychwytują i kierują wpadające światło. Dzięki temu interakcja jest możliwa do zarządzania, w przeciwieństwie do poprzednich systemów.
Ustawienie temperatury
Jak dokładnie działa programowalne ciepło w praktyce? Nie tylko zgadujesz, ale konfigurujesz.
Zmieniając trzy parametry, badacze mogą zaprogramować pożądane zachowanie absorpcji:
– Kąt padania światła.
– Siła przyłożonego pola magnetycznego.
– Wymiary fizyczne grzbietów kraty.
W ten sposób uzyskasz absorpcję bez wzajemnego promieniowania. Robocza długość fali niespójnego absorbera jest przesuwana w szerokim zakresie widmowym po prostu poprzez zmianę kąta.
Ta elastyczność otwiera możliwości wykraczające daleko poza laboratorium. Inteligentne czujniki podczerwieni. Bardziej wydajne urządzenia wykorzystujące energię cieplną. Technologie pamięci fotonicznej, które przechowują informacje przy użyciu światła i ciepła, a nie ładunków elektrycznych.
„Naszym ostatecznym celem jest opracowanie kompaktowych urządzeń do aktywnej kontroli promieniowania cieplnego, podobnie jak obwody elektroniczne kontrolują przepływ energii elektrycznej”. — Kochi Okamoto, Uniwersytet Stołeczny w Osadze
Pułapki
To na razie teoria.
Fizyka i matematyka są mocne. Modele są ściśle weryfikowane. Ale nie ma jeszcze fizycznego prototypu. Jesteśmy na etapie „przecierania drogi”.
I to nie bez tarcia. W swoim artykule naukowcy zauważają, że badanie skupiało się głównie na wchłanianiu. Zamiast szczegółowo badać promieniowanie, przyjęto założenie. Ponadto wymaga zewnętrznego pola magnetycznego. To jest komplikacja. Dodatkowy komponent. Potencjalna przeszkoda.
Biorąc jednak pod uwagę, że prawa fizyki zostały zaprojektowane tak, aby można je było kwestionować, trudno argumentować, że jest to przeszkoda nie do pokonania.
Praca ta kładzie podwaliny pod aktywną, niespójną kontrolę termiczną. Na horyzoncie pojawia się fotonika termiczna na skalę chipową. Pytanie nie brzmi, czy to działa na papierze. Pytanie, czy uda nam się to zbudować.
