Учёные научились программировать направление распространения тепла
В международной группе учёных под руководством специалистов из Университета Осака Метрополитен удалось создать принципиально новый материал, который позволяет независимо управлять поглощением и излучением тепла. Работа нарушает одно из фундаментальных физических ограничений, известное как принцип взаимности, согласно которому поверхность, эффективно поглощающая тепло при определённой длине волны и направлении, должна столь же эффективно излучать его в тех же условиях.
Именно эта взаимосвязь до сих пор ограничивала возможности точного контроля тепловой энергии. Если же процессы поглощения и излучения можно разделить, инженеры получают возможность создавать устройства, которые принимают тепло с одной стороны, а излучают его в совершенно другом направлении.
По словам исследователей, подобное управление тепловым потоком открывает перспективы для создания более эффективных систем терморегулирования, преобразования энергии, инфракрасных датчиков, а также технологий тепловой связи. Возможность «направлять» тепло делает его управляемым ресурсом, подобно тому как современные электронные схемы управляют электрическим током.
Для реализации этой идеи исследователи использовали магнитооптические материалы, свойства которых можно изменять при помощи магнитного поля. Работу возглавили профессор Коити Окамото и доктор Сюнсукэ Мураи из Высшей инженерной школы Университета Осака Метрополитен.
Учёные объединили магнитооптический материал со специальным материалом с фазовым переходом GST. Получившееся устройство оказалось способно не только изменять направление теплового излучения, но и включать либо отключать этот эффект, а также сохранять выбранное состояние даже после отключения питания.
По сути, новая технология позволяет «программировать» тепловое излучение подобно тому, как микрочип хранит цифровую информацию. Благодаря сохранению состояния без подачи энергии устройство может работать как своеобразная память, использующая не электрический заряд, а свойства теплового излучения.
Как отметил доктор Сюнсукэ Мураи, исследователям удалось сделать поведение теплового излучения значительно более интеллектуальным. По его словам, успешная реализация подобных возможностей может привести к появлению нового поколения высокоэффективных инфракрасных излучателей, устройств преобразования тепловой энергии, датчиков и фотонной памяти.
Во время испытаний команда обнаружила ещё одно важное преимущество новой конструкции. Устройство демонстрировало различную реакцию в зависимости от направления света даже в том случае, когда излучение падало практически перпендикулярно поверхности.
Это стало серьёзным шагом вперёд по сравнению с предыдущими разработками, которым для получения аналогичного эффекта требовались очень большие углы падения света. При таких условиях эффективность поглощения и теплового излучения заметно снижалась по сравнению с нормальным падением излучения.
Кроме того, прежние устройства отличались нестабильной работой механизма включения и отключения эффекта. Ещё одним недостатком было то, что после отключения питания они теряли сохранённое состояние, что существенно ограничивало возможность их повторной настройки.
По словам профессора Коити Окамото, конечной целью проекта является создание компактных устройств, способных активно управлять тепловым излучением так же эффективно, как электронные схемы управляют потоком электричества. Такие технологии могут найти применение в более совершенных инфракрасных сенсорах, высокоэффективных энергетических системах и новых видах фотонной памяти, где информация хранится с использованием света и тепла вместо электрических зарядов.
Исследование в журнале Laser & Photonics Reviews.