Як вчені порушили закон Кірхгофа для створення програмованого тепла
Закон Кірхгофа про тепловипромінювання існує вже 160 років. Його суть проста: здатність поверхні поглинати тепло повинна точно відповідати її здатності випромінювати його на тій же довжині хвилі та під тим самим кутом. Принцип взаємності. Це правило робить контроль над тепловою енергією схожим на спробу утримати дим у руках. Раніше ми знаходили обхідні шляхи, але вони були неефективними та нестійкими.
Тепер ми маємо рішення.
Міжнародна група дослідників опублікувала дослідження в журналі Laser & Photonics Reviews, що демонструє, що цей багаторічний закон можна порушити. Відв’язавши поглинання від випромінювання, вони створили умови для програмованого тепла.
Магнітний трюк
Прорив криється над хімії, а керуванні світлом з допомогою магнітного поля.
Це змінює уявлення про поведінку тепла. Тепер напрямок випромінювання можна контролювати. Стан можна перемикати. І, що, можливо, найбільш дивно, система запам’ятовує свій стан навіть після вимкнення живлення.
«Змусили теплове випромінювання поводитися розумніше», — каже Сюнсуке Мурай, фізик з Осазького столичного університету.
Пристрій, що забезпечує це, є метарешітки. Це гібридний механізм, що поєднує магнітооптичний матеріал із речовиною з фазовим переходом.
Якщо розглядати фазово-перехідний компонент як банк пам’яті, то на вигляд він може нагадувати фізичні носії даних. Сплав, який тут використовується, — це Ge₂Sb₂Te₅. Це германій, сурма та телур. Той самий матеріал, який застосовується в перезаписуваних CD і DVD дисках для зберігання даних. Він перемикається між невпорядкованим (аморфним) та впорядкованим (кристалічним) станами.
«Гратова» частина рівняння — це друга половина системи. Крихітні, прецизійно сконструйовані гребені захоплюють і спрямовують вхідне світло. Це робить взаємодію керованою, на відміну від попередніх систем.
Налаштування температури
Як саме працює програмоване тепло на практиці? Ви не просто ворожите, а налаштовуєте.
Змінюючи три параметри, дослідники можуть запрограмувати бажану поведінку поглинання:
– Кут падіння світла.
– Силу прикладеного магнітного поля.
– Фізичні розміри гребенів решітки.
Зробивши це, ви отримуєте поглинання без взаємного випромінювання. Робоча довжина хвилі некогерентного поглинача зсувається у широкому спектральному діапазоні просто шляхом зміни кута.
Така гнучкість відкриває можливості далеко за межами лабораторії. Розумні інфрачервоні рецептори. Більш ефективні пристрої теплової енергії. Фотонні технології пам’яті, які зберігають інформацію за допомогою світла та тепла, а не електричних зарядів.
«Наша кінцева мета — розробити компактні пристрої для активного керування тепловим випромінюванням, подібно до того, як електронні схеми контролюють потік електрики». – Коті Окамото, Осазький столичний університет
Підводне каміння
На даний момент це теорія.
Фізика та математика міцні. Моделі суворо вивірені. Але фізичного прототипу ще немає. Ми знаходимося на етапі прокладання шляху.
І це не без тертя. У своїй роботі дослідники зазначають, що вивчення зосередилося значною мірою на поглинанні. Випромінювання передбачалося, а чи не досліджувалося докладно. Крім того, для цього потрібне зовнішнє магнітне поле. Це ускладнення. Додатковий компонент. Потенційна перешкода.
Але з огляду на те, що закони фізики створені для того, щоб їх кидали виклик, важко стверджувати, що це непереборна перешкода.
Ця робота закладає основу активного некогерентного теплового контролю. На горизонті з’являється фотоніка теплової енергії у масштабі чіпів. Питання не в тому, чи це працює на папері. Питання, чи зможемо ми це побудувати.
