Исследователи из Университета Осаки Метрополитен разработали программируемое тепловое устройство, способное управлять направлением излучения тепла и запоминать свою конфигурацию даже после отключения питания. Эта технология в будущем может способствовать более интеллектуальному управлению теплом в высокопроизводительных чипах, кремниевой фотонике, инфракрасных датчиках и системах сбора энергии. Работа, опубликованная в журнале Laser & Photonics Reviews, преодолевает два давних препятствия, которые мешали практической реализации невзаимных тепловых устройств.
Устройство объединяет магнитооптический материал — материал, изменяющий свои оптические свойства в присутствии магнитного поля, — с материалом с фазовым переходом, известным как германий-сурьма-теллур (GST), чтобы независимо управлять тем, как поверхность поглощает и излучает инфракрасное излучение. В отличие от предыдущих конструкций, которые теряли свою функциональность после отключения питания или работали только при падении света на поверхность под экстремальными углами, исследователи утверждают, что их устройство работает почти под прямым углом, сохраняя запрограммированное состояние без постоянного подвода энергии.
В обычных условиях материалы подчиняются принципу, гласящему, что если поверхность эффективно поглощает тепло на определенной длине волны и в определенном направлении, то она должна также излучать тепло в тех же условиях. Эта взаимосвязь, определяемая законом теплового излучения Кирхгофа, справедлива для обычных материалов и ограничивает точность управления теплом инженерами. Вместо того чтобы направлять тепловую энергию туда, где она наиболее полезна, такие материалы просто излучают тепло в зависимости от того, как они его поглощают.
Обход этой взаимосвязи стал активной областью исследований, так как это могло бы дать инженерам совершенно новый способ управления тепловой энергией. Устройства, способные независимо управлять поглощением и излучением, могут улучшить радиационное охлаждение, термофотоэлектрические системы, преобразующие тепло в электричество, инфракрасное зондирование, тепловую связь и другие фотонные технологии, где управление теплом так же важно, как и управление светом.
Исследователи изучили несколько способов достижения этого путем нарушения лоренцевой взаимности — физического принципа, связывающего входящие и исходящие электромагнитные волны. Большинство подходов основаны на магнитооптических материалах, магнитных вейлевских полуметаллах или активно модулируемых метаповерхностях. Однако такие конструкции обычно сталкиваются с двумя основными проблемами. Во-первых, для сильного направленного поведения свет должен падать на поверхность под очень крутыми, скользящими углами. Хотя это работает экспериментально, это значительно снижает количество полезного теплового излучения и приводит к широким, неэффективным диаграммам излучения. Во-вторых, многие существующие конструкции являются энергозависимыми. Их поведение исчезает, как только убирают магнитное поле, электрический сигнал или источник нагрева, управляющий ими, что требует постоянного питания для поддержания рабочего состояния.
Команда из Университета Осаки Метрополитен решила обе проблемы, объединив два материала, выполняющих взаимодополняющие роли. Первый — арсенид индия (InAs), магнитооптический полупроводник, взаимодействие которого с инфракрасным светом меняется в присутствии магнитного поля. Вместо того чтобы позволять свету вести себя одинаково во всех направлениях, материал вносит направленную асимметрию, обеспечивающую невзаимное тепловое поведение. Второй компонент — GST, материал с фазовым переходом, который может обратимо переключаться между аморфным и кристаллическим состояниями, кардинально меняя свои оптические свойства, при этом сохраняя то состояние, в которое был записан, даже после отключения питания.
Исследователи сформировали GST в виде микроскопической решетки над слоем InAs, получив то, что они называют магнитооптической метарешеткой. InAs обеспечивает направленный контроль, необходимый для разделения поглощения и излучения тепла, а слой GST действует как энергонезависимый переключатель, хранящий режим работы устройства. Приложение магнитного поля настраивает взаимодействие инфракрасного излучения со структурой, а изменение фазы GST навсегда меняет это поведение до тех пор, пока оно не будет преднамеренно перезаписано. По сути, устройство можно запрограммировать на разное излучение тепла и сохранять эту конфигурацию без постоянного подвода энергии.
По словам исследователей, прототип достиг коэффициента невзаимности, близкого к 0,9, при работе под углом падения всего три градуса, что гораздо ближе к нормальному падению, чем крутые углы, обычно требуемые предыдущими конструкциями. Система также поддерживает непрерывную настройку посредством изменения магнитного поля или угла падения, а также цифровое включение-выключение за счет фазового перехода GST. Команда также проанализировала, почему невзаимный эффект ослабевает при изменении состояния GST, и пришла к выводу, что это ослабление является результатом сочетания перераспределения оптического поля и увеличения демпфирования, а не просто потерь на поглощение.
Хотя технология остается на стадии ранней исследовательской демонстрации, возможность программировать тепловое излучение может в конечном итоге стать ценной в вычислительном оборудовании, поскольку процессоры продолжают размещать все больше транзисторов, чиплетов и фотонных компонентов во все более компактных корпусах. Будущие тепловые метаповерхности могут дать инженерам еще один инструмент для отвода тепла от горячих точек, снижения тепловых помех между соседними чиплетами или стабилизации кремниевых фотонных устройств, оптические характеристики которых меняются в зависимости от температуры.
Помимо вычислений, исследователи также видят применение в радиационном охлаждении, термофотоэлектрическом преобразовании энергии, инфракрасных излучателях, системах тепловой связи и технологиях фотонной памяти. Однако пока работа остается лабораторной демонстрацией, а не готовой к внедрению технологией. Прежде чем программируемые тепловые излучатели найдут путь в коммерческую электронику, предстоит решить значительные инженерные задачи.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Etiido Uko
