Закон физики нарушили , чтобы программировать тепловые волны

Долгое время закон теплового излучения Кирхгофа казался нерушимым. Он гласит, что способность поверхности поглощать тепло под определенным углом и на определенной длине волны должна быть строго равна ее способности излучать тепло при тех же условиях. Этот принцип превращает управление тепловыми потоками в сложнейшую задачу. Но теперь, похоже, физики нашли способ обойти этот фундаментальный запрет. Международная команда исследователей предложила теоретическую модель устройства, способного отделить поглощение тепла от излучения. В основе инновации лежит управление светом с помощью магнитного поля. Статья об открытии опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.

«Мы заставили тепловое излучение вести себя более разумно, — объясняет физик Сюнсуке Мураи из Осакского университета (Япония). — Реализация этих возможностей в работающей модели позволит создать новое поколение эффективных инфракрасных излучателей, тепловых устройств, сенсоров и технологий фотонной памяти».

Воображаемое устройство ученые назвали метарешеткой. Его главная особенность — комбинация двух специальных материалов. Первый — магнитооптический материал, который меняет свое поведение при поглощении тепла, когда на него воздействует магнитное поле. Второй — материал с фазовым переходом, который служит своеобразным банком памяти. Он способен переключаться между аморфной и кристаллической фазами, подобно тому, как это происходит в перезаписываемых оптических дисках. В качестве «запоминающего» элемента был предложен сплав германия, сурьмы и теллура Ge₂Sb₂Te₅ — тот самый, что используется в CD и DVD-дисках.

Крошечные, тщательно рассчитанные бороздки на поверхности решетки должны захватывать и направлять поступающий свет. Регулируя угол падения света, силу магнитного поля и физические размеры решетки, исследователи смогли «запрограммировать» ее поведение так, чтобы решетка получала тепло, но не отдавала его обратно. 

На данный момент работа носит сугубо теоретический характер — все выводы подтверждены строгими расчетами и компьютерным моделированием, но физический прототип еще не создан. Исследователи планируют следующий этап — изготовление действующего образца.

«Наша конечная цель — разработать компактные устройства, которые смогут активно управлять тепловым излучением, подобно тому, как электронные схемы управляют потоком электричества, — делится планами физик Коичи Окамото из Осакского столичного университета.

Если эксперимент подтвердит расчеты, человечество получит совершенно новый инструмент для управления теплом, что сравнимо по значимости с переходом от вакуумных ламп к полупроводникам. 

Японцы создали парящий «ковер» из графита

Физики создали первый квантовый материал при комнатной температуре

Физики подсмотрели сверхпрочный материал будущего в строении морских звезд

Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX