Istraživači su predložili teoretski materijal koji može „programirati“ emisiju toplotnog zračenja kombinujući magneto-optičku nerekipročnost u indijum-arsenidu i nevolatilni fazno-prelazni GST. Studija objavljena 25. juna u Laser & Photonics Reviews zaobilazi Kirchhoffovo pravilo recipročnosti i omogućava usmerenu kontrolu čak pri samo 3 stepena odstupanja. Konzepat je trenutno teorijski, a praktična implementacija zahteva rešavanje problema debljine GST sloja.
Fizičari 'Programiraju' Toplotu: Materijal Koji Usmerava I Pamti Emisiju Toplotnog Zračenja
Blue and red laser shooting into series of rectangles.
Istraživači su predložili teoretski dizajn materijala koji može „programirati“ način na koji oslobađa toplotu, otvarajući put ka efikasnijim energetskim sistemima i novim tipovima uređaja koji koriste toplotu kao nosioca informacija umesto elektriciteta.
Rad, objavljen 25. juna u časopisu Laser & Photonics Reviews, zaobilazi skoro 160 godina star princip koji povezuje apsorpciju i emisiju toplotnog zračenja. U uobičajenim uslovima, materijal koji efikasno apsorbuje zračenje iz određenog pravca podjednako dobro ga i emituje u tom pravcu — princip poznat kao Kirchhoffovo pravilo recipročnosti. Ta ograničenja su dugo sprečavala nezavisnu kontrolu dolazne i odlazne toplote.
Predloženi uređaj kombinuje dva nesvakidašnja elementa: sloj indijum-arsenida (materijal osetljiv na infracrveno zračenje) i rešetku od germanijum-antimon-tellurida (germanijum-antimon-tellurid, poznat kao GST), fazno-prelaznog materijala koji može da promeni strukturu između dve stabilne forme i zadrži izabranu formu bez napajanja.
The proposed device uses magnetic fields and a phase-change material to independently control how it absorbs and emits heat. | Credit: Osaka Metropolitan University
Autori predlažu da primenom magnetnog polja u indijum-arsenidnom sloju nastane magneto-optička nerekipročnost: zračenje koje dolazi iz jednog pravca ponaša se drugačije nego zračenje iz suprotnog pravca. Kada se GST postavi u određenu fazu — amorfnu ili kristalnu — ta faza „zaključava“ smernu razliku u emisionim svojstvima i zadržava je i nakon isključenja napajanja. Zbog toga tim poredi dizajn sa memorijom, mada se u praksi čuva stanje materijala, a ne toplotna energija sama po sebi.
„Impresioniran sam elegantnom kombinacijom magneto-optičke nerekipročnosti sa nevolatilnim fazno-prelaznim materijalom,“ rekao je Juejun Hu, profesor na MIT-u, koji nije učestvovao u studiji.
Važna prednost predloženog koncepta je funkcionalnost pri malim odstupanjima ugla: uređaj bi mogao da pravi usmerenu kontrolu čak i kada zračenje dolazi pod samo 3 stepena od pravolinijskog smera, što olakšava integraciju u praktične optičke sisteme. To predstavlja napredak u odnosu na ranije pristupe koji su zahtevali velike uglove i bili nepraktični za mnoge primene.
Međutim, do sada je reč samo o teorijskom dizajnu — uređaj nije izgrađen niti eksperimentalno testiran. Autori ocenjuju da je koncept ostvariv korišćenjem dobro poznatih materijala i tehnologija proizvodnje, ali ukazuju i na praktične izazove: trenutni sloj GST-a predložen u radu je prilično debeo, pa bi česta promena faze bila tehnički zahtevna. Rešenje bi moglo doći putem tanjih fazno-prelaznih materijala ili optimizacije strukture.
Kako navode istraživači i nezavisni stručnjaci, jedna od najverovatnijih prvih primena bila bi u infracrvenom detektovanju i senzorici, gde kompaktno i selektivno usmeravanje toplotnog zračenja može povećati performanse senzora. Dalje primene uključuju upravljanje toplotom u energetskim sistemima i, možda u budućnosti, elemente za skladištenje informacija zasnovane na stanju materijala.
Pomozite nam da budemo bolji.
