Ново теоретско истражување покажува како топлинското зрачење би можело да стане програмабилно, отворајќи нови можности за електрониката, фотониката и енергетиката
Претставете си компјутерски чип кој не само што обработува информации, туку и сам одлучува каде ќе го насочи вишокот топлина. Или инфрацрвен сензор што може по потреба да го менува начинот на кој ја зрачи топлинската енергија. До неодамна ваквите идеи се сметаа за практично неостварливи бидејќи беа ограничени од едно од најстарите правила во физиката. Но, едно ново истражување покажува дека ограничувањето можеби и не е толку непремостливо како што тоа се сметаше.
Истражувањето се бави со Кирхофовиот закон за топлинско зрачење, формулиран во 1860 година од германскиот физичар Густав Кирхоф. Според него, материјалот што добро апсорбира топлинско зрачење на одредена бранова должина и под одреден агол, мора под истите услови подеднакво добро и да го емитува. Апсорпцијата и емисијата, практично, се две страни на истата физичка појава.
Овој закон повеќе од еден и пол век претставува еден од темелите на термодинамиката и фотониката. Но, токму поради оваа тесна поврзаност помеѓу апсорпцијата и емисијата, инженерите досега немаа можност независно да управуваат со топлинското зрачење. За разлика од електричната струја или светлината, топлината не можеше да се “програмира”.
Одговор на ова ограничување понуди трудот објавен неодамна во реномираното научно списание Laser & Photonics Reviews. Во него авторите, користејќи теоретски модел и детални компјутерски симулации, покажуваат дека со комбинација од магнетооптички материјали, материјали со фазна промена и специјално дизајнирани метарешетки можно е да се раздвојат апсорпцијата и емисијата на топлинското зрачење. Ова би отворило можност топлината, барем во ваквите системи, да стане програмабилна.
Основата на предложениот систем е таканаречена метарешетка (metagrating) – наноструктура составена од микроскопски елементи што овозможуваат прецизно насочување на електромагнетното зрачење. Во неа се комбинираат два различни материјали.
Првиот е магнетооптички материјал, чиишто својства можат да се менуваат со примена на магнетно поле. Вториот е материјал со фазна промена, способен за премин во различни структурни состојби а притоа да ја задржи новата состојба дури и по исклучување на напојувањето. Истражувачите како пример ја наведуваат легурата од германиум, антимон и телур (GST), добро позната од технологијата на CD и DVD-дисковите креирани за повеќетни записи.
Со комбинација од овие материјали, соодветно магнетно поле и прецизна геометрија на метарешетката, можно е системот да се „програмира“ така што топлината би ја апсорбирал на еден начин, а би ја емитувал на сосема друг. Дополнително, фазно-променливиот материјал овозможува уредот да ја задржи својата состојба и без постојано напојување, што практично му дава својство на меморија.
Важно е да се нагласи дека истражувањето не го урива Кирхофовиот закон, ниту ги нарушува законите на термодинамиката. Наместо тоа, научниците создаваат специфични услови во кои класичната врска меѓу апсорпцијата и емисијата повеќе не е задолжителна. Со помош на магнетооптичките ефекти и напредните метаматеријали тие воведуваат таканаречена нереципрочност, при што системот различно се однесува при прием и при емисија на зрачење.
Доколку идните лабораториски експерименти ги потврдат овие теоретски предвидувања, можните примени се исклучително широки. Современите процесори и електронски компоненти би можеле многу поефикасно да се ладат, инфрацрвените камери и сензори би добиле значително поголема прецизност, а би можеле да се развијат и сосема нови фотонски уреди што ќе управуваат со топлината исто толку флексибилно како што денес електронските кола управуваат со електричната струја.