Зроблено прорив у контролі термального випромінювання

Міжнародна дослідницька група під керівництвом професора Коїчі Окамото (Koichi Okamoto) та доктора Шунсуке Мураї (Shunsuke Murai) з Вищої інженерної школи Університету Осаки (Osaka Metropolitan University) розробила пристрій, який дозволяє керувати теплом майже так само, як електричними сигналами в мікросхемах. Фізикам вдалося розділити процеси поглинання та випромінювання тепла, що раніше вважалося майже неможливим через фундаментальний закон взаємності.

Результати дослідження відкривають шлях до створення нового покоління систем термоменеджменту, високоефективних перетворювачів енергії, інфрачервоних сенсорів та оптичної пам'яті.

У природі будь-який матеріал поглинає та випромінює тепло взаємопов'язано: якщо поверхня ефективно поглинає теплову енергію певної довжини хвилі та під певним кутом, вона так само ефективно випромінюватиме її у зворотному напрямку. Цей закон взаємності серйозно обмежував інженерів у спробах тонко налаштовувати термальні процеси.

Якби поглинання та випромінювання вдалося розділити, з'явилася б можливість створювати матеріали, які вбирають тепло з одного напрямку, а випромінюють його в зовсім іншому. Саме це завдання вирішила команда японських учених, звернувшись до магнітооптичних матеріалів, чиї властивості взаємодії зі світлом змінюються під дією магнітного поля.

Дослідники поєднали магнітооптичний матеріал зі спеціальним матеріалом фазового переходу під назвою GST (сплав германію, сурми та телуру). Створений ними гібридний пристрій продемонстрував унікальні можливості: він здатний змінювати напрямок теплового випромінювання. Процесом можна керувати, вмикаючи та вимикаючи його за потреби.

Матеріал «пам'ятає» свій останній стан навіть після повного відключення живлення. Це дозволяє буквально «записувати» та програмувати теплові потоки подібно до даних у комп'ютерній пам'яті.

«Ми змусили теплове випромінювання поводитися "розумнішим" чином. Реалізація цих функцій у робочій моделі відкриває шлях до створення високоефективних інфрачервоних випромінювачів, нових сенсорів та фотонних технологій пам'яті», - пояснив доктор Шунсуке Мураї.

Попередні прототипи подібних систем вимагали, щоб світло падало під надзвичайно гострими кутами. Через це ефективність поглинання та випромінювання тепла критично падала.

Новий пристрій демонструє різноспрямований відгук на випромінювання, навіть коли теплові хвилі надходять майже перпендикулярно (прямо на поверхню), що є колосальним кроком уперед. Крім того, раніше ефект перемикання був нестабільним, а зафіксовані стани миттєво зникали у разі знеструмлення. Розробка вчених з Осаки повністю розв'язує проблему енергозалежності.