کنترل دقیق انرژی حرارتی همواره یکی از چالشهای بزرگ در علم فیزیک بوده است. قانون گرانبهای تابش حرارتی کِرِشف، که رابطه بین جذب و انتشار گرما را مشخص میکند، مانعی برای دستکاری دلخواه حرارت محسوب میشود. با این حال، پژوهشگران اخیراً راهی نوآورانه برای جداسازی جذب و انتشار گرما یافتهاند که میتواند انقلابی در فناوریهای مرتبط با حرارت ایجاد کند.
این دستاورد جدید که در مجله Laser & Photonics Reviews منتشر شده، بر پایه دستکاری نور با استفاده از میدان مغناطیسی استوار است. تیم بینالمللی پژوهشگران موفق شدهاند قابلیت کنترل جهت انتشار گرما را فراهم کنند. این سیستم نه تنها قابلیت روشن و خاموش شدن دارد، بلکه میتواند حالت خود را حتی پس از قطع برق نیز به خاطر بسپارد.
شونسوکه مورای، فیزیکدان دانشگاه متروپولیتن اوزاکا در ژاپن، says در این باره میگوید: «ما باعث شدیم تابش حرارتی رفتار هوشمندانهتری از خود نشان دهد.» او ادامه میدهد که دستیابی به این قابلیتها در یک مدل عملی، میتواند منجر به نسل جدیدی از گسیلکنندههای مادون قرمز، دستگاههای انرژی حرارتی، حسگرها و فناوریهای حافظه فوتونیک شود.
این دستگاه که «متاگراتینگ» نامیده میشود، از دو بخش کلیدی تشکیل شده است: یک ماده مغناطیس-نوری که رفتار گرمای جذبشده را تحت تأثیر میدان مغناطیسی تغییر میدهد، و یک ماده تغییر فاز که مانند حافظه عمل میکند.
ماده تغییر فاز مورد استفاده در این پژوهش، آلیاژ Ge2Sb2Te5 (ژرمانیوم، آنتیموان و تلوریوم) است که در دیسکهای rewritable CDs and DVDs نیز کاربرد دارد. این ماده میتواند بین حالتهای بیشکل (نامنظم) و بلورین (منظم) جابجا شود و به عنوان یک بانک حافظه عمل کند.
بخش «گراتینگ» نیز در این سیستم اهمیت دارد. پستی و بلندیهای ریز و مهندسیشده، نور ورودی را به دام انداخته و هدایت میکنند و آن را نسبت به سیستمهای پیشین قابل کنترلتر میسازند.
پژوهشگران با تنظیم زاویه نور، قدرت میدان مغناطیسی و ابعاد فیزیکی گراتینگ، توانستند رفتار جذب حرارت را «برنامهریزی» کنند، بدون اینکه محدودیتهای قانون Kirchhoff’s law of thermal radiation در انتشار گرما اعمال شود. آنها write که با تنظیم زاویه تابش، طول موج جذبکننده غیرقابل بازگشت را میتوان به طور پیوسته در طیف وسیعی تنظیم کرد.
این انعطافپذیری و تطبیقپذیری، کاربردهای بالقوه گستردهای را برای این دستگاه قابل برنامهریزی نوید میدهد. البته این پژوهش در حال حاضر در مرحله نظری و مدلسازی ریاضی قرار دارد و گام بعدی، ساخت نمونه اولیه خواهد بود.
پژوهشگران در مقاله خود write که این کار چارچوب فیزیکی دقیقی را برای کنترل فعال حرارتی غیرقابل بازگشت ایجاد میکند و راه را برای نسل بعدی فوتونیک حرارتی در مقیاس تراشه هموار میسازد.
مقاله منتشر شده describes جداسازی انتشار گرما از جذب آن را «مرز حیاتی در فوتونیک حرارتی مدرن» توصیف میکند، هرچند تمرکز اصلی پژوهش بر جذب بوده و بخش انتشار تا حد زیادی مفروض فرض شده است.
نیاز به یک میدان مغناطیسی خارجی برای کنترل خواص دستگاه و مواد آن، چالشهای کوچکی را اضافه میکند، اما انتظار نمیرود مانع قابل توجهی برای توسعه بیشتر باشد.
بدیهی است که تعداد بیشماری از سیستمها و فناوریها از نور و گرما و دستکاری آنها بهره میبرند و این یافتهها میتوانند در بسیاری از آنها مفید واقع شوند. این پژوهش یادآوری دیگری است که قوانین فیزیک برای شکستن وجود دارند.
کوئیچی اوکاموتو، فیزیکدان دانشگاه متروپولیتن اوزاکا، says میگوید: «هدف نهایی ما توسعه دستگاههای فشردهای است که بتوانند تابش حرارتی را به طور فعال کنترل کنند، درست مانند مدارهای الکترونیکی که جریان الکتریسیته را کنترل میکنند.»
او ادامه میدهد: «چنین دستگاههایی میتوانند در حسگرهای مادون قرمز هوشمندتر، سیستمهای انرژی کارآمدتر و انواع جدیدی از حافظههای فوتونیک که اطلاعات را به جای بارهای الکتریکی، با استفاده از نور و گرما ذخیره میکنند، به کار روند.»
این تحقیق در Laser & Photonics Reviews منتشر شده است.
