Ученые обошли действовавший 160 лет закон физики и создали программируемое тепло

Фото из открытых источников

Существуют определенные законы физики, которым должно подчиняться тепло. Взять, к примеру, закон Кирхгофа о тепловом излучении который применяет принцип взаимности к теплу и гласит, что способность поверхности поглощать тепло под определенным углом и с определенной длиной волны должна также соответствовать ее способности излучать тепло под тем же углом и с той же длиной волны.

Это правило затрудняет контроль тепловой энергии желаемыми способами, и хотя ранее были найдены обходные пути, они неэффективны и нестабильны.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Laser & Photonics Reviews и проведенном международной группой исследователей, ученые, возможно, нашли способ разделить поглощение и излучение для достижения программируемого нагрева.

Инновация основана на управлении светом с помощью магнитного поля: таким образом, можно контролировать направление излучения тепла, включать и выключать управление, а система даже может запоминать свое состояние в выключенном состоянии.

«Нам удалось заставить тепловое излучение вести себя более разумно», — говорит Шунсуке Мурай из Осакского столичного университета в Японии. «Достижение этих возможностей в работающей модели может позволить создать новое поколение эффективных инфракрасных излучателей, устройств для получения тепловой энергии, датчиков и фотонных технологий памяти».

Устройство, придуманное исследователями, называется метарешеткой. Оно сочетает в себе магнитооптический материал, который изменяет поведение поглощенного тепла при воздействии магнитного поля, и материал с фазовым переходом, который действует как банк памяти.

Если вы поклонник физических носителей, вам может быть интересно узнать, что используемый здесь материал с фазовым переходом, способный переключаться между аморфным (неупорядоченным) и кристаллическим (упорядоченным) состояниями, — это Ge₂Sb₂Te₅, сплав германия, сурьмы и теллура, также используемый в перезаписываемых CD и DVD.

Эта «решетка» тоже важна. Крошечные, тщательно спроектированные выступы будут улавливать и направлять поступающий свет, что сделает систему более управляемой, чем предыдущие системы, и более жизнеспособным практическим решением.

Регулируя угол падения света, силу магнитного поля и физические размеры решетки, исследователи смогли «запрограммировать» желаемое поведение поглощения тепла — без соответствующего обратного тепловыделения.

«Простым изменением угла падения рабочую длину волны нереципрокного поглотителя можно непрерывно настраивать в широком спектральном диапазоне», — пишут исследователи.

Такая гибкость и универсальность означают, что программируемое устройство будет иметь широкий спектр потенциальных применений. Однако на данный момент это всего лишь теоретические исследования в области физики и математики – хотя и хорошо рассчитанные и смоделированные – и следующий этап – это фактическое создание прототипа.

«Эта работа создает строгую физическую основу для активного нереципрокного терморегулирования, открывая путь для термофотоники следующего поколения на уровне чипов», — пишут исследователи.

В опубликованном исследовании разделение излучения и поглощения тепла описывается как «критически важный рубеж в современной тепловой фотонике», хотя стоит отметить, что исследование в основном было сосредоточено на поглощении — излучение в значительной степени предполагалось, а не исследовалось подробно.

Необходимость использования внешнего магнитного поля для управления свойствами устройства и его материала также вносит некоторые дополнительные сложности, хотя нет причин полагать, что это должно стать серьезным препятствием для дальнейшего развития.

Безусловно, существует огромное количество систем и технологий, использующих свет и тепло, а также способы их манипулирования, и эти открытия могут быть полезны во многих из них. Это еще одно напоминание о том, что законы физики существуют для того, чтобы их нарушать.

«Наша конечная цель — разработка компактных устройств, способных активно контролировать тепловое излучение, подобно тому, как электронные схемы управляют потоком электричества», — говорит Коичи Окамото из Осакского столичного университета. «Подобные устройства могут быть использованы в более совершенных инфракрасных датчиках, более эффективных энергетических системах и новых типах фотонной памяти, которая хранит информацию с помощью света и тепла, а не электрических зарядов».