A lei da radiação térmica de Kirchhoff existe há 160 anos. Afirma, simplesmente, que a capacidade de uma superfície absorver calor deve corresponder à sua capacidade de emiti-lo no mesmo comprimento de onda e ângulo. Reciprocidade. É uma regra que faz com que controlar a energia térmica seja como tentar segurar a fumaça. Já encontramos soluções alternativas antes. Eles eram ineficientes. Eles eram voláteis.
Agora, temos uma saída.
Uma equipe internacional de pesquisadores publicou um estudo na Laser & Photonics Reviews demonstrando que é possível violar essa lei de décadas. Ao dissociar a absorção da emissão, eles criaram as condições para o calor programável.
O truque magnético
A descoberta não vem da química. Vem da manipulação da luz com um campo magnético.
Isso muda tudo sobre o comportamento do calor. A direção da emissão agora pode ser controlada. O interruptor pode ser ativado ou desativado. E talvez o mais surpreendente é que o sistema se lembra do seu estado mesmo depois de a energia ser cortada.
“Fizemos com que a radiação térmica se comportasse de maneira mais inteligente”, diz Shunsuke Murai, físico da Universidade Metropolitana de Osaka.
O dispositivo que torna isso possível é uma metagração. É uma fera híbrida. Combina uma substância magneto-óptica com um material de mudança de fase.
Pense no componente de mudança de fase como um banco de memória. Se você gosta de mídia física, esta parte pode parecer familiar. A liga usada aqui é Ge₂Sb₂Te₅. Isso é germânio, antimônio e Tellerium. É o material exato usado em CDs e DVDs regraváveis para armazenar dados. Ele alterna entre estados desordenados (amorfos) e ordenados (cristalinos).
A parte da “grade” é a outra metade da equação. Pequenas saliências projetadas com precisão prendem e canalizam a luz que entra. Isso torna a interação gerenciável de uma forma que os sistemas anteriores não eram.
Ajustando a temperatura
Como o aquecimento programável realmente funciona na prática? Você não apenas adivinha. Você se ajusta.
Ajustando três coisas, os pesquisadores podem programar o comportamento de absorção desejado:
– O ângulo da luz incidente.
– A força do campo magnético aplicado.
– As dimensões físicas das cristas da grade.
Faça isso e você obterá absorção sem emissão recíproca. O comprimento de onda operacional do absorvedor não recíproco muda através de uma ampla faixa espectral apenas mudando o ângulo.
Essa flexibilidade sugere aplicações muito além do laboratório. Sensores infravermelhos inteligentes. Dispositivos de energia térmica mais eficientes. Tecnologia de memória fotônica que armazena informações usando luz e calor em vez de cargas elétricas.
“Nosso objetivo final é desenvolver dispositivos compactos que controlem ativamente a radiação de calor, da mesma forma que os circuitos eletrônicos controlam o fluxo de eletricidade.” – Koichi Okamoto, Universidade Metropolitana de Osaka
A captura
É teórico agora.
A física e a matemática são sólidas. Os modelos são rigorosos. Mas ainda não existe um protótipo físico. Estamos na fase de “abrir caminho”.
E não é sem atrito. Os pesquisadores observam em seu artigo que o estudo se concentrou fortemente na absorção. A emissão foi assumida em vez de explorada em detalhes granulares. Além disso, você precisa de um campo magnético externo para que isso aconteça. Isso é uma ruga. Um componente extra. Um obstáculo potencial.
Mas dado que as leis da física foram construídas para serem desafiadas, é difícil argumentar que isso seja um obstáculo.
Este trabalho estabelece uma estrutura para controle térmico ativo e não recíproco. A fotônica térmica em escala de chip está no horizonte. A questão não é se isso funciona no papel. É se podemos construí-lo.
