RW Space

Существуют определенные законы физики, которым должно подчиняться тепло.

Возьмем, к примеру, закон теплового излучения Кирхгофа, который применяет идею взаимности к теплу и предписывает, что способность поверхности поглощать тепло под определенным углом и на той же длине волны должна также соответствовать ее способности излучать тепло под тем же углом и на той же длине волны.

Это правило затрудняет контроль над тепловой энергией способами, которыми нам хотелось бы, и хотя обходные пути были найдены ранее, они неэффективны и нестабильны.

В В новом исследовании, опубликованном в журнале Laser & Photonics Reviews и проведенном международной группой исследователей, мы можем найти способ разделить поглощение и излучение для достижения программируемого тепла.

Инновация основана на манипулировании светом с помощью магнитного поля: таким образом, можно контролировать направление тепловыделения, включать и выключать манипуляцию, а система может даже запоминать свое состояние при выключенном питании.

«Мы заставили тепловое излучение вести себя более разумно», — говорит физик Сюнсуке Мурай из Столичного университета Осаки в Японии.

«Достижение этих возможностей в работающей модели может позволить создать новое поколение эффективных инфракрасных излучателей, теплоэнергетических устройств, датчиков и технологий фотонной памяти».

Устройство, которое придумали исследователи, называется метарешеткой. Оно сочетает в себе магнитооптический материал, который регулирует поведение поглощенного тепла при воздействии магнитного поля, и материал с фазовым переходом, который действует как банк памяти.

Если вы поклонник физических сред, вам может быть интересно узнать, что материал с фазовым переходом, который может переключаться между аморфным (неупорядоченным) и кристаллическим (упорядоченным) состояниями, представляет собой Ge2⁢Sb2⁢Te5, сплав германия, сурьмы и теллура, также используемый в перезаписываемых компакт-дисках и DVD.

Эта «решетка» также важна. Крошечные, тщательно спроектированные выступы будут улавливать и направлять падающий свет, что делает ее более управляемой, чем предыдущие системы, и более жизнеспособным в качестве практического решения.

Благодаря настройке Угол света, силу магнитного поля и физические размеры решетки позволили исследователям «запрограммировать» желаемое поведение поглощения тепла – без такого же обратного тепловыделения.

«Просто регулируя угол падения, рабочую длину волны невзаимного поглотителя можно плавно настраивать в широком спектральном диапазоне», — пишут исследователи.

Эта гибкость и универсальность означают, что программируемое устройство будет иметь широкий спектр потенциальных применений. Это все теоретическая физика. Однако на данный момент и математика – хотя и хорошо рассчитана и смоделирована – и следующим этапом будет создание прототипа.

«Эта работа устанавливает строгую физическую основу для активного невзаимного термоконтроля, прокладывая путь для термофотоники следующего поколения в масштабе чипа», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.

Опубликованное исследование описывает отделение тепловыделения от теплопоглощения как «критическую границу в современной термофотонике». хотя стоит отметить, что исследования были сосредоточены в основном на поглощении, а эмиссионная часть в основном предполагалась, а не исследовалась подробно.

Требование внешнего магнитного поля для управления свойствами устройства и его материала также добавляет несколько дополнительных проблем, хотя нет причин, по которым это должно стать серьезным камнем преткновения для дальнейшего развития.

Конечно, существует огромное количество систем и технологий, которые используют свет и тепло и манипулирование ими, и эти результаты могут быть полезны для многих из них. Это еще одно напоминание о том, что законы физики существуют для того, чтобы их нарушать.

По теме: Обнаружено поразительное исключение из 200-летнего закона физики

«Наша конечная цель — разработать компактные устройства, которые смогут активно контролировать тепловое излучение, подобно тому, как электронные схемы контролируют поток электричества», – говорит физик Коичи Окамото из Столичного университета Осаки.

«Такие устройства можно использовать в более умные инфракрасные датчики, более эффективные энергетические системы и новые типы фотонной памяти, которые хранят информацию с использованием света и тепла вместо электрических зарядов».

Исследование было опубликовано в журнале Laser & Photonics Reviews.

Эта статья была проверена Майклом Ирвингом и отредактирована Ребеккой Дайер. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, сообщите нам.