A kutatók egy alapvető szabályt megszegve új koncepciót hoztak létre: az irányítható és „programozható” hőt. Az új eszköz rugalmasan szabályozza a hő áramlását; a szerkezet a jobb oldalról hőt nyel el, amitől felmelegszik, majd a hőt a bal oldalon kisugározza, így lehűl.

Egy anyag hőelnyelő és hőkibocsátó képessége normális körülmények között szorosan összefügg egymással: az a felület, amely egy adott hullámhosszon és irányból jól nyeli el a hőt, ugyanilyen módon bocsátja is ki. Ez a reciprocitásnak nevezett alapvető összefüggés korlátozza annak lehetőségét, hogy egymástól függetlenül szabályozzuk a hő elnyelését és kibocsátását. Amennyiben azonban az elnyelést és a kibocsátást sikerülne egymástól elválasztani, a mérnökök olyan eszközöket tervezhetnének, amelyek az egyik irányból elnyelik, egy másik irányba pedig kibocsátják a hőt. A hőenergia „terelésével” hatékonyabb hőgazdálkodási, energiaátalakítási, infravörös érzékelési és termikus kommunikációs technológiák jöhetnének létre. A beérkező és a kibocsátott sugárzással eltérően kölcsönható anyag létrehozásához az Oszakai Fővárosi Egyetem Mérnöki Karának Koichi Okamoto professzor és Shunsuke Murai doktor által vezetett nemzetközi kutatócsoportja magnetooptikai anyagokat használt. Ezekben az anyagokban mágneses tér segítségével módosítható a fénnyel való kölcsönhatás.

A kutatók egy magnetooptikai anyagot egy GST nevű, különleges fázisváltó anyaggal kombináltak. Az így létrehozott eszköz nemcsak a hősugárzás irányát képes szabályozni, hanem a hatást be- és kikapcsolni is. Emellett az eszköz az áramellátás megszüntetése után is megőrzi az állapotát, így a hő a mikrochipekben tárolt adatokhoz hasonlóan programozhatóvá válik. „Elértük, hogy a hősugárzás „intelligensebben” viselkedjen” – magyarázta Murai doktor. Ezeknek a képességeknek egy működő modellben történő megvalósítása lehetővé teheti hatékony infravörös sugárzók, hőenergetikai eszközök, érzékelők és fotonikus memóriatechnológiák új generációjának létrehozását.

A kutatók megállapították, hogy az eszközük a fény érkezési irányától függően eltérően reagált még akkor is, amikor a fény csaknem merőlegesen érkezett a felületre. Ez hatalmas előrelépést jelentett a korábbi eszközökhöz képest, amelyek működéséhez a fénynek nagyon nagy szögben kellett érkeznie. Ilyen szögeknél azonban az elnyelési és sugárzási hatékonyság a merőleges beeséshez képest lecsökkent.

A korábbi eszközök „be- és kikapcsolási” hatása emellett jelentős ingadozásokat mutatott, az áramellátás megszüntetésekor pedig a memória is elveszett, ami korlátozta az eszközök újrakonfigurálhatóságát.

„Végső célunk olyan kompakt eszközök kifejlesztése, amelyek aktívan képesek szabályozni a hősugárzást, hasonlóan ahhoz, ahogyan az elektronikus áramkörök az elektromos áram folyását szabályozzák” – mondta Okamoto professzor. Az ilyen eszközök intelligensebb infravörös érzékelőkben, hatékonyabb energetikai rendszerekben, valamint olyan új típusú fotonikus memóriákban is alkalmazhatók lennének, amelyek elektromos töltések helyett fény és hő segítségével tárolják az információt.

Forrás: https://www.omu.ac.jp/en/info/research-news/entry-115254.html

Kép: Osaka University