Как манипулировать теплом подобно светом

12 июня 2013 г., 15:05

Исследователь из МТИ разработал технику, которая обеспечивает новый способ манипулирования теплом, позволяя управлять им во многом подобно тому, как свет управляется линзами и зеркалами.

Подход опирается на сконструированные материалы, содержащие наноструктурированные полупроводниковые кристаллы сплава. Тепло в твердом теле представляет собой колебания кристаллической решетки, подобные звуковым. Такие колебания можно представить как поток квазичастиц – фононов. Новый подход аналогичен недавно разработанным фотонным кристаллам, которые могут управлять прохождением света, и фононных кристаллов, которые могут делать то же самое со звуком.

«Тонкие пространственные щели в этих материалах регулируются таким образом, чтобы совпасть с длиной волны тепловых фононов, - объяснил Мартин Малдован (Martin Maldovan), научный сотрудник из МТИ. – Это совершенно новый способ манипулирования теплом».

Тепло отличается от звука частотой колебаний. Звуковые волны содержат более низкие частоты (порядка килогерц), тогда как частоты тепловых колебаний намного выше (терагерцевый диапазон). Для того чтобы использовать технику, уже разработанную для звука, вначале была уменьшена частота тепловых фононов.

Тепло охватывает широкий диапазон частот, тогда как звук распространяется на одной частоте. Первый шаг, который был сделан, это уменьшен диапазон тепловых частот и снижены сами частоты. Это было сделано с помощью сплава из кремния, содержащего наночастицы германия определенного размера.

Уменьшение диапазона частот было получено также за счет последовательности тонкий пленок материала, которые обеспечили рассеяние фононов на границе. Это привело к концентрации большинства тепловых фононов внутри относительно узкого окна частот.

Последовательное применение этих методов привело к тому, что более 40% всего потока тепла концентрировалось внутри гиперзвуковой области от 100 до 300 ГГц, и большинство фононов сформировало узкий луч, а не распространялось по всем направлениям.

Этим пучком фононов с узким частотным диапазоном можно было манипулировать с помощью фононных кристаллов, подобных тем, которые были разработаны для управления звуковыми фононами. Поскольку эти кристаллы использовались для управления теплом, Малдован назвал их «термокристаллами».

Такие термокристаллы могут иметь широкий спектр применений, включая усовершенствование термоэлектрических устройств, превращающих разность температур в напряжение (электричество).

В большинстве обычных материалов тепло распространяется по всем направлениям. Термокристаллы могут передавать его в одном направлении. Эти кристаллы могут быть также использованы для создания тепловых диодов. Такие материалы с одним направлением теплового потока полезны для постройки домов в жарком и холодном климате.

В других вариациях материалы могут быть использованы для фокусировки тепла подобно тому, как линзы фокусируют свет (ну чем не гиперболоид инженера Гарина). Другая интригующая возможность – создание тепловой шапки-невидимки.

Как манипулировать теплом подобно светом