Тепловое излучение подчиняется строгим законам физики. Один из них — закон Кирхгофа, сформулированный около 160 лет назад. Он гласит, что поверхность, поглощающая тепловое излучение под определённым углом и на определённой длине волны, должна так же излучать его в тех же условиях.
Из-за этого управлять теплом гораздо сложнее, чем электричеством или светом. Учёные и раньше находили способы обойти это ограничение, но существующие системы оставались нестабильными и неэффективными.
Теперь международная группа исследователей предложила устройство, которое теоретически позволяет разделить процессы поглощения и излучения. С его помощью тепловое поведение материала можно будет программировать, включать и выключать, а заданные настройки смогут сохраняться даже после отключения питания.
«Мы заставили тепловое излучение вести себя умнее», — говорит физик Сюнсукэ Мураи из Осакского столичного университета.
Предложенное устройство называется метарешёткой. Оно объединяет магнитооптический материал, свойства которого меняются под воздействием магнитного поля, и материал с фазовым переходом, выполняющий роль памяти.
В качестве такой памяти исследователи использовали сплав германия, сурьмы и теллура Ge₂Sb₂Te₅. Он способен переходить из аморфного, неупорядоченного состояния в кристаллическое и обратно. Тот же материал применяется в перезаписываемых компакт-дисках и DVD.
Поверхность устройства должна быть покрыта множеством крошечных выступов. Они будут улавливать и направлять поступающий свет, позволяя точнее управлять его взаимодействием с материалом.
Изменяя угол падения света, силу магнитного поля и размеры решётки, исследователи смогли в расчётах настроить необходимое поглощение тепла, не вызывая при этом такого же встречного излучения.
Рабочую длину волны устройства можно непрерывно менять в широком диапазоне, просто регулируя угол падающего света. Благодаря этому технология потенциально может применяться в инфракрасных излучателях, датчиках, системах управления энергией и устройствах фотонной памяти.
Пока речь идёт только о теоретической модели, основанной на физических расчётах и компьютерном моделировании. Следующим этапом должно стать создание реального прототипа.
Авторы также признают, что основное внимание в работе уделялось поглощению тепла. Поведение устройства при излучении подробно не исследовалось, а во многом предполагалось на основе модели.
Кроме того, для управления системой требуется внешнее магнитное поле. Это усложняет конструкцию, хотя исследователи не считают такое требование серьёзным препятствием для дальнейшей разработки.
Конечная цель учёных — создать компактные устройства, способные управлять тепловым излучением примерно так же, как электронные схемы управляют электрическим током.
Подобные технологии могут лечь в основу более совершенных инфракрасных датчиков, эффективных энергетических систем и нового типа памяти, в которой информация будет храниться с помощью света и тепла, а не электрических зарядов.
Исследование опубликовано в журнале Laser & Photonics Reviews.
