Дослідники з Університету Осаки розробили програмований тепловий пристрій, здатний спрямовувати випромінювання тепла та зберігати свою конфігурацію без живлення. Це відкриття може полегшити тепловий менеджмент високопродуктивних чіпів, кремнієвої фотоніки, інфрачервоних сенсорів та систем збору енергії. Робота, опублікована в Laser & Photonics Reviews, долає дві давні перешкоди, що заважали практичній реалізації невимогливих теплових пристроїв.
Пристрій поєднує магніто-оптичний матеріал, що змінює свої оптичні властивості під впливом магнітного поля, з матеріалом, що змінює фазу, відомим як германій-сурма-телур (GST). Це дозволяє незалежно контролювати поглинання та випромінювання інфрачервоного випромінювання поверхнею. На відміну від попередніх конструкцій, які втрачали функціональність після зняття живлення або працювали лише під екстремальними кутами падіння світла, розробка функціонує майже перпендикулярно, зберігаючи запрограмований стан без постійного споживання енергії.
За звичайних умов матеріали підпорядковуються принципу, згідно з яким поверхня, що ефективно поглинає тепло певними хвилями та напрямком, повинна так само випромінювати тепло за тих самих умов. Це співвідношення, визначене законом Кірхгофа про теплове випромінювання, діє для звичайних матеріалів і обмежує точність маніпуляцій інженерами. Замість того, щоб спрямовувати теплову енергію туди, де вона найкорисніша, ці матеріали просто випромінюють тепло, виходячи з того, як вони його поглинають.
Обхід цього принципу став активною сферою досліджень, оскільки це може надати інженерам абсолютно новий спосіб контролювати теплову енергію. Пристрої, здатні незалежно керувати поглинанням і випромінюванням, можуть покращити радіаційне охолодження, термофотовольтаїчні системи, що перетворюють тепло на електрику, інфрачервоне зондування, теплове зв’язку та інші фотонні технології, де контроль тепла є таким же важливим, як і контроль світла.
Дослідники вивчали кілька шляхів досягнення цього шляхом порушення лоренцової невимогливості, фізичного принципу, який пов’язує вхідні та вихідні електромагнітні хвилі. Більшість підходів базуються на магніто-оптичних матеріалах, магнітних напівметолах Вейля або активно модульованих метаповерхнях. Однак ці конструкції зазвичай стикалися з двома основними проблемами. По-перше, вони вимагають, щоб світло потрапляло на поверхню під дуже косими, або скошеними, кутами для створення сильної спрямованої поведінки. Хоча це працює в експериментах, це значно зменшує кількість корисного теплового випромінювання та створює широкі, неефективні візерунки випромінювання. По-друге, багато існуючих конструкцій є волатильними. Їхня поведінка зникає, як тільки знімається магнітне поле, електричний сигнал або джерело нагрівання, що ними керує, роблячи постійне живлення необхідним просто для підтримки їхнього робочого стану.
Команда Університету Осаки вирішила обидва обмеження, поєднавши два матеріали, які виконують доповнюючі ролі. Першим є арсенід індію (InAs), магніто-оптичний напівпровідник, чия взаємодія з інфрачервоним світлом змінюється в присутності магнітного поля. Замість того, щоб дозволяти світлу поводитися однаково в усіх напрямках, матеріал вводить спрямовану асиметрію, що дозволяє невимогливу теплову поведінку. Другим компонентом є GST, матеріал, що змінює фазу, який може оборотно перемикатися між аморфним і кристалічним станами, драматично змінюючи свої оптичні властивості, зберігаючи при цьому будь-який стан, в який він був записаний, навіть після видалення живлення.
Дослідники сформували GST у мікроскопічну решітку над шаром InAs, створивши те, що вони описують як магніто-оптичну метарешітку. InAs забезпечує спрямоване керування, необхідне для відділення поглинання тепла від випромінювання тепла, тоді як шар GST діє як енергонезалежний перемикач, що зберігає режим роботи пристрою. Застосування магнітного поля налаштовує взаємодію інфрачервоного випромінювання зі структурою, тоді як зміна фази GST назавжди змінює цю поведінку, доки її навмисно не буде перезаписано. По суті, пристрій можна запрограмувати для випромінювання тепла по-різному та зберігати цю конфігурацію без необхідності постійної енергії.
Згідно з дослідженнями, прототип досяг коефіцієнта невимогливості, близького до 0,9, працюючи під кутом падіння лише три градуси, що набагато ближче до нормального падіння, ніж круті кути, які зазвичай потрібні для попередніх конструкцій. Система також підтримує безперервне налаштування через зміни магнітного поля або кута падіння, а також цифрове вмикання/вимикання через перехід фази GST. Команда далі проаналізувала, чому невимогливий ефект слабшає при зміні стану GST, дійшовши висновку, що зменшення результату пов’язане з комбінацією перерозподілу оптичного поля та збільшенням загасання, а не лише з простими втратами на поглинання.
Хоча технологія залишається демонстрацією на ранній стадії дослідження, здатність програмувати теплове випромінювання може з часом стати цінною в обчислювальному обладнанні, оскільки процесори продовжують пакувати більше транзисторів, чіплетів і фотонних компонентів у дедалі компактніші пакети. Майбутні теплові метаповерхні можуть надати інженерам додатковий інструмент для відведення тепла від гарячих точок, зменшення теплових перешкод між сусідніми чіплетами або стабілізації кремнієвих фотонних пристроїв, оптичні характеристики яких змінюються з температурою.
Окрім обчислень, дослідники також передбачають застосування в радіаційному охолодженні, перетворенні енергії за допомогою термофотовольтаїки, інфрачервоних випромінювачах, системах теплового зв’язку та технологіях фотонної пам’яті. Однак на даний момент ця робота залишається лабораторною демонстрацією, а не розгортаною технологією. Значні інженерні виклики залишаються, перш ніж програмовані теплові випромінювачі знайдуть свій шлях у комерційну електроніку.
