Исследователи из Осакского университета разработали программируемое тепловое устройство, способное направлять тепловое излучение и сохранять свою конфигурацию без питания. Это открытие может облегчить тепловой менеджмент высокопроизводительных чипов, кремниевой фотоники, инфракрасных сенсоров и систем сбора энергии. Работа, опубликованная в Laser & Photonics Reviews, преодолевает два давних препятствия, мешавших практической реализации нетребовательных тепловых устройств.
Устройство сочетает магнитооптический материал, изменяющий свои оптические свойства под влиянием магнитного поля, с материалом, изменяющим фазу, известным как германий-сурьма-теллур (GST). Это позволяет независимо контролировать поглощение и излучение инфракрасного излучения поверхностью. В отличие от предыдущих конструкций, которые теряли функциональность после снятия питания или работали только под экстремальными углами падения света, разработка функционирует почти перпендикулярно, сохраняя запрограммированное состояние без постоянного потребления энергии.
При обычных условиях материалы подчиняются принципу, согласно которому поверхность, эффективно поглощающая тепло определенными волнами и направлением, должна так же излучать тепло при тех же условиях. Это соотношение, определенное законом Кирхгофа о тепловом излучении, действует для обычных материалов и ограничивает точность манипуляций инженерами. Вместо того чтобы направлять тепловую энергию туда, где она наиболее полезна, эти материалы просто излучают тепло, исходя из того, как они его поглощают.
Обход этого принципа стал активной сферой исследований, поскольку это может предоставить инженерам совершенно новый способ контроля тепловой энергии. Устройства, способные независимо управлять поглощением и излучением, могут улучшить радиационное охлаждение, термофотовольтаические системы, преобразующие тепло в электричество, инфракрасное зондирование, тепловую связь и другие фотонные технологии, где контроль тепла так же важен, как и контроль света.
Исследователи изучали несколько путей достижения этого путем нарушения лоренцевой нетребовательности, физического принципа, связывающего входные и выходные электромагнитные волны. Большинство подходов основаны на магнитооптических материалах, магнитных полуметаллах Вейля или активно модулированных метаповерхностях. Однако эти конструкции обычно сталкивались с двумя основными проблемами. Во-первых, они требуют, чтобы свет попадал на поверхность под очень косыми, или скошенными, углами для создания сильного направленного поведения. Хотя это работает в экспериментах, это значительно уменьшает количество полезного теплового излучения и создает широкие, неэффективные узоры излучения. Во-вторых, многие существующие конструкции являются летучими. Их поведение исчезает, как только снимается магнитное поле, электрический сигнал или управляющий ими источник нагрева, что делает постоянное питание необходимым просто для поддержания их рабочего состояния.
Команда Осакского университета решила обе проблемы, объединив два материала, выполняющих дополняющие роли. Первым является арсенид индия (InAs), магнитооптический полупроводник, чье взаимодействие с инфракрасным светом изменяется в присутствии магнитного поля. Вместо того чтобы позволять свету вести себя одинаково во всех направлениях, материал вводит направленную асимметрию, позволяющую нетребовательное тепловое поведение. Вторым компонентом является GST, материал, изменяющий фазу, который может обратимо переключаться между аморфным и кристаллическим состояниями, драматически изменяя свои оптические свойства, сохраняя при этом любое состояние, в которое он был записан, даже после удаления питания.
Исследователи сформировали GST в микроскопическую решетку над слоем InAs, создав то, что они описывают как магнитооптическую метарешетку. InAs обеспечивает направленное управление, необходимое для отделения поглощения тепла от излучения тепла, тогда как слой GST действует как энергонезависимый переключатель, сохраняющий режим работы устройства. Применение магнитного поля настраивает взаимодействие инфракрасного излучения со структурой, тогда как изменение фазы GST навсегда изменяет это поведение, пока оно намеренно не будет перезаписано. По сути, устройство можно запрограммировать для излучения тепла по-разному и сохранять эту конфигурацию без необходимости постоянной энергии.
Согласно исследованиям, прототип достиг коэффициента нетребовательности, близкого к 0,9, работая под углом падения всего три градуса, что намного ближе к нормальному падению, чем крутые углы, которые обычно требуются для предыдущих конструкций. Система также поддерживает непрерывную настройку через изменения магнитного поля или угла падения, а также цифровое включение/выключение через переход фазы GST. Команда далее проанализировала, почему нетребовательный эффект ослабевает при изменении состояния GST, придя к выводу, что уменьшение результата связано с комбинацией перераспределения оптического поля и увеличения затухания, а не только с простыми потерями на поглощение.
Хотя технология остается демонстрацией на ранней стадии исследования, способность программировать тепловое излучение может со временем стать ценной в вычислительном оборудовании, поскольку процессоры продолжают упаковывать больше транзисторов, чиплетов и фотонных компонентов во все более компактные пакеты. Будущие тепловые метаповерхности могут предоставить инженерам дополнительный инструмент для отвода тепла от горячих точек, уменьшения тепловых помех между соседними чиплетами или стабилизации кремниевых фотонных устройств, оптические характеристики которых изменяются с температурой.
Помимо вычислений, исследователи также предвидят применение в радиационном охлаждении, преобразовании энергии с помощью термофотовольтаики, инфракрасных излучателях, системах тепловой связи и технологиях фотонной памяти. Однако на данный момент эта работа остается лабораторной демонстрацией, а не развернутой технологией. Значительные инженерные вызовы остаются, прежде чем программируемые тепловые излучатели найдут свой путь в коммерческую электронику.
