Физики нашли способ контролировать тепло, который когда-то считался невозможным.

При совершении покупок по ссылкам в наших статьях компания Future и ее партнеры по распространению информации могут получать комиссию.

Исследователи разработали материал, способный «программировать» способ выделения тепла, что открывает путь к созданию более эффективных энергетических систем и, потенциально, устройств, хранящих информацию с помощью тепла, а не электричества.

Конструкция, описанная в исследовании от 25 июня в журнале Laser & Photonics Reviews, обходит почти 160-летнее правило физики, связывающее поглощение и излучение тепла материалами. В обычных условиях материал, хорошо поглощающий тепло в одном направлении, одинаково хорошо излучает тепло в этом направлении. Это правило взаимности, впервые описанное физиком Густавом Кирхгофом в XIX веке, ограничивало возможности инженеров по независимому управлению входящим и исходящим теплом.

В новом исследовании ученые разработали теоретическое устройство, способное направлять тепловое излучение в разных направлениях и запоминать эти настройки даже после выключения питания.

Новое устройство сочетает в себе два материала, которые обычно не работают вместе. Используя магнитное поле, команда нарушила естественную симметрию в слое арсенида индия — материала, который поглощает и излучает инфракрасный свет, — так что излучение, распространяющееся в одном направлении, ведет себя иначе, чем излучение, распространяющееся в другом направлении.

Поверх этого слоя расположена решетка из германия-сурьмы-теллура (GST) — вещества, изменяющего фазовое состояние, способного переключаться между двумя различными физическими структурами и оставаться в той структуре, в которой оно установлено, до тех пор, пока его намеренно не переключат снова. После установки GST в нужное положение, оно фиксирует разницу в направлении излучения и удерживает его в этом положении без необходимости постоянного питания, что и позволяет «программировать» поведение устройства в отношении направления тепла.

«Меня впечатлило элегантное сочетание магнитооптической нереципрокности с энергонезависимым материалом, изменяющим фазовый переход», — написал в электронном письме изданию Live Science Цзюэцзюнь Ху, профессор материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, не принимавший участия в исследовании.

СВЯЗАННЫЕ ИСТОРИИ

• Новый чудо-материал, разработанный искусственным интеллектом, такой же легкий, как пенопласт, но прочный, как сталь.

• Химики нарушили столетнее правило, чтобы создать крайне нестабильные молекулы.

• Математики только что решили задачу, существовавшую 125 лет, объединив три теории физики.

Это важно, поскольку более ранние попытки подобного направленного управления обычно работали только под крутыми углами, что делало их непрактичными. Ху отметил, что «особенно примечательно», что это устройство функционирует, когда излучение отклоняется всего на 3 градуса от прямой линии, что значительно упрощает его интеграцию в реальные оптические системы.

Исследователи сравнили свою конструкцию с компьютерной памятью, поскольку она сохраняет запрограммированное состояние после отключения питания. Однако, как рассказал Ху изданию Live Science, устройство хранит материальное состояние, а не само тепло. GST просто сохраняет свою аморфную или кристаллическую структуру без питания, что обеспечивает сохранение запрограммированного отклика.

На данный момент устройство существует только на бумаге; оно еще не создано и не протестировано. Тем не менее, Ху считает его реалистичным, поскольку оно основано на хорошо зарекомендовавших себя материалах и методах производства. Однако слой GST достаточно толстый, поэтому его многократное переключение будет затруднительным, хотя другие материалы могли бы решить эту проблему. Как только это препятствие будет преодолено, Ху ожидает, что первым реальным применением станет инфракрасное зондирование, где компактное, направленно-избирательное поглощение тепла окажется наиболее полезным.