Закон Кирхгофа о теплоизлучении существует уже 160 лет. Его суть проста: способность поверхности поглощать тепло должна точно соответствовать ее способности излучать его на той же длине волны и под тем же углом. Принцип взаимности. Это правило делает контроль над тепловой энергией похожим на попытку удержать дым в руках. Ранее мы находили обходные пути, но они были неэффективными и неустойчивыми.
Теперь у нас есть решение.
Международная группа исследователей опубликовала исследование в журнале Laser & Photonics Reviews, демонстрирующее, что этот многолетний закон можно нарушить. Отвязав поглощение от излучения, они создали условия для программируемого тепла.
Магнитный трюк
Прорыв кроется не в химии, а в управлении светом с помощью магнитного поля.
Это меняет все представления о поведении тепла. Теперь направление излучения можно контролировать. Состояние можно переключать. И, что, возможно, наиболее удивительно, система запоминает свое состояние даже после отключения питания.
«Заставили тепловое излучение вести себя более разумно», — говорит Сюнсукэ Мурай, физик из Осагского столичного университета.
Устройство, обеспечивающее это, представляет собой метарешетку. Это гибридный механизм, сочетающий магнитооптический материал с веществом со фазовым переходом.
Если рассматривать фазово-переходный компонент как банк памяти, то по внешнему виду он может напоминать физические носители данных. Сплав, используемый здесь, — это Ge₂Sb₂Te₅. Это германий, сурьма и теллур. Тот самый материал, который применяется в перезаписываемых CD и DVD дисках для хранения данных. Он переключается между неупорядоченным (аморфным) и упорядоченным (кристаллическим) состояниями.
«Решетчатая» часть уравнения — это вторая половина системы. Крошечные, прецизионно сконструированные гребни захватывают и направляют входящий свет. Это делает взаимодействие управляемым, в отличие от предыдущих систем.
Настройка температуры
Как именно работает программируемое тепло на практике? Вы не просто гадаете, а настраиваете.
Изменяя три параметра, исследователи могут запрограммировать желаемое поведение поглощения:
— Угол падения света.
— Силу приложенного магнитного поля.
— Физические размеры гребней решетки.
Сделав это, вы получаете поглощение без взаимного излучения. Рабочая длина волны некогерентного поглотителя сдвигается в широком спектральном диапазоне просто путем изменения угла.
Такая гибкость открывает возможности далеко за пределами лаборатории. Умные инфракрасные сенсоры. Более эффективные устройства для тепловой энергии. Фотонные технологии памяти, которые хранят информацию с помощью света и тепла, а не электрических зарядов.
«Наша конечная цель — разработать компактные устройства для активного управления тепловым излучением, подобно тому, как электронные схемы контролируют поток электричества». — Коти Окамото, Осагский столичный университет
Подводные камни
На данный момент это теория.
Физика и математика прочны. Модели строго выверены. Но физического прототипа еще нет. Мы находимся на этапе «прокладывания пути».
И это не без трения. В своей работе исследователи отмечают, что изучение сосредоточилось в значительной степени на поглощении. Излучение предполагалось, а не исследовалось подробно. Кроме того, для этого требуется внешнее магнитное поле. Это осложнение. Дополнительный компонент. Потенциальное препятствие.
Но, учитывая, что законы физики созданы для того, чтобы их бросали вызов, трудно утверждать, что это непреодолимое препятствие.
Эта работа закладывает основу для активного некогерентного теплового контроля. На горизонте появляется фотоника тепловой энергии в масштабе чипов. Вопрос не в том, работает ли это на бумаге. Вопрос в том, сможем ли мы это построить.
