Новый материал позволяет программировать тепло, как данные в компьютере

Тепло поглощается справа, нагревая структуру, и излучается влево, охлаждая её. Источник: Университет Осаки Метрополитен

В большинстве материалов процессы поглощения и излучения тепла неразрывно связаны. Если поверхность эффективно поглощает тепло с определённого направления или длины волны, она и излучает его таким же образом. Этот давно установленный принцип, известный как взаимность, долгое время мешал учёным независимо контролировать поступление и отвод тепловой энергии в материале.

Однако, если бы эти два процесса можно было разделить, инженеры получили бы возможность направлять тепло гораздо точнее. Материал мог бы поглощать тепловую энергию с одного направления, а выделять её в другом, что потенциально улучшило бы системы терморегуляции, преобразования энергии, инфракрасного зондирования и тепловые коммуникационные технологии.

Материал, способный управлять теплом

Чтобы преодолеть это ограничение, международная группа под руководством профессора Коити Окамото и доктора Сюнсукэ Мураи из Высшей школы инженерии Университета Осаки Метрополитен разработала новый тип устройства на основе магнитооптических материалов. Эти материалы меняют своё взаимодействие со светом под воздействием магнитного поля, что позволяет изменять их тепловое поведение.

Исследователи объединили магнитооптический материал с материалом с фазовым переходом, известным как GST. Полученное устройство может контролировать направление, в котором излучается тепло, включать или выключать это поведение и сохранять свою конфигурацию даже после отключения питания. По сути, это позволяет программировать тепло способом, напоминающим хранение и управление данными внутри компьютерного чипа.

«Мы заставили тепловое излучение вести себя более „умным" образом, — объяснил доктор Мураи. — Достижение таких возможностей в работающей модели может открыть путь к новому поколению эффективных инфракрасных излучателей, устройств тепловой энергии, датчиков и фотонных технологий памяти».

Лучшая производительность по сравнению с ранними разработками

Команда обнаружила, что устройство реагирует по-разному в зависимости от направления падающего света, даже когда свет попадает на него почти под прямым углом. Более ранние технологии обычно требовали, чтобы свет падал на материал под очень крутыми углами для достижения аналогичных эффектов, что снижало эффективность как поглощения, так и излучения по сравнению с нормальным падением.

Новая конструкция также устранила другие недостатки предыдущих систем. Более ранние устройства демонстрировали нестабильное переключение между состояниями «включено» и «выключено» и теряли сохранённую конфигурацию после отключения питания. Напротив, новый материал может надёжно переключаться между состояниями, сохраняя свою «память», что делает его гораздо более практичным для будущих применений.

На пути к программируемым тепловым устройствам

Исследователи видят в этой технологии важный шаг на пути к созданию устройств, управляющих теплом с той же точностью, с какой электронные схемы управляют электричеством.

«Наша конечная цель — разработать компактные устройства, способные активно контролировать тепловое излучение, подобно тому, как электронные схемы контролируют поток электричества, — заявил профессор Окамото. — Такие устройства могут быть использованы в более умных инфракрасных датчиках, более эффективных энергетических системах и новых типах фотонной памяти, которая хранит информацию с помощью света и тепла вместо электрических зарядов».

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Осаки Метрополитен.

Ye Ming Qing, Yi Shen, Jun Wu, Shunsuke Murai, Zhaogang Dong, Koichi Okamoto. Reconfigurable Giant Nonreciprocity at Near‐Normal Incidence via Phase‐Change Magneto‐Optical Metagratings. Laser, 2026; DOI: 10.1002/lpor.71438