دانشمندان موفق شدهاند با طراحی یک دستگاه جدید، یکی از قوانین بنیادی فیزیک را که بیش از ۱۶۰ سال پابرجا بوده، دور بزنند. این قانون که به قانون تشعشع گرمایی کیرشهف قانون کیرشهف تشعشع گرمایی معروف است، بیان میکند که توانایی یک جسم در جذب گرما در زاویه و طول موج خاص، برابر با توانایی آن در انتشار گرما در همان شرایط است. این اصل، کنترل دقیق انرژی حرارتی را دشوار میکرد، اما راهکارهای قبلی اغلب ناکافی و ناپایدار بودهاند.
پژوهشگران در مطالعهای جدید که در مجله Laser & Photonics Reviews منتشر شده، روشی نوین برای جداسازی جذب و انتشار گرما ارائه کردهاند که امکان کنترل برنامهریزیشده گرما را فراهم میآورد. این نوآوری بر پایه دستکاری نور با استفاده از میدان مغناطیسی استوار است. به این ترتیب، جهت انتشار گرما قابل کنترل میشود، این فرآیند را میتوان روشن و خاموش کرد و حتی سیستم میتواند حالت خود را پس از قطع برق نیز به خاطر بسپارد.
شونسوکه مورای، فیزیکدان دانشگاه متروپولیتن اوزاکا در ژاپن، میگوید که “تابش گرما را هوشمندتر کردیم.” او افزود که دستیابی به این قابلیتها در یک مدل عملیاتی میتواند نسل جدیدی از گسیلکنندههای مادون قرمز کارآمد، دستگاههای انرژی حرارتی، حسگرها و فناوریهای حافظه فوتونیک را امکانپذیر سازد.
این دستگاه که “متاگِرِتینگ” نام دارد، از یک ماده مغناطیس-نوری بهره میبرد 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 دستگاه، آلیاژ Ge2Sb2Te5 (ژرمانیوم، آنتیموان و تلوریوم) است که در دیسکهای سیدیها و دیویدیهای قابل بازنویسی نیز کاربرد دارد. این ماده میتواند بین حالتهای بیشکل (نامنظم) و بلوری (منظم) جابجا شود.
بخش “گِرِت” (شبکه) نیز در این طرح اهمیت دارد. شیارهای بسیار ریز و با طراحی دقیق، نور ورودی را به دام انداخته و هدایت میکنند و آن را نسبت به سیستمهای پیشین، قابلمدیریتتر و عملیتر میسازند. با تنظیم زاویه نور، قدرت میدان مغناطیسی و ابعاد فیزیکی شبکه، محققان توانستند رفتار جذب گرمای دلخواه را “برنامهریزی” کنند، بدون آنکه انتشار گرما همانند جذب آن باشد.
پژوهشگران مینویسند که با تنظیم ساده زاویه تابش، طول موج عملکرد جاذب غیرقابل تقابل را میتوان در طیف وسیعی بهطور مداوم تنظیم کرد. این انعطافپذیری و تطبیقپذیری، کاربردهای بالقوه گستردهای را برای این دستگاه قابل برنامهریزی نوید میدهد. البته این طرح در حال حاضر در مرحله فیزیک نظری و محاسباتی قرار دارد و گام بعدی، ساخت نمونه اولیه است.
محققان در مقاله خود مینویسند که این پژوهش یک چارچوب فیزیکی دقیق برای کنترل فعال حرارتی غیرقابل تقابل ایجاد میکند و راه را برای نسل آینده فوتونیک حرارتی در مقیاس تراشه هموار میسازد. مطالعه منتشر شده، جداسازی انتشار گرما از جذب آن را “مرز حیاتی در فوتونیک حرارتی مدرن” توصیف میکند میداند، هرچند تمرکز اصلی تحقیق بر جذب گرما بوده و بخش انتشار تا حد زیادی مفروض گرفته شده است.
نیاز به یک میدان مغناطیسی خارجی برای کنترل خواص دستگاه و مواد آن، چالشهای دیگری را نیز به همراه دارد، اما انتظار نمیرود مانع قابل توجهی برای توسعه بیشتر باشد.
بیشک، سیستمها و فناوریهای متعددی از نور و گرما و دستکاری آنها بهره میبرند و این یافتهها میتوانند در بسیاری از آنها مفید واقع شوند. این پژوهش یادآور دیگری است که قوانین فیزیک برای شکسته شدن وجود دارند.
کوئیچی اوکاموتو، فیزیکدان دانشگاه متروپولیتن اوزاکا، میگوید که “هدف نهایی ما توسعه دستگاههای فشردهای است که بتوانند تابش گرما را بهطور فعال کنترل کنند، شبیه به چگونگی کنترل جریان الکتریسیته توسط مدارهای الکترونیکی.” وی افزود که چنین دستگاههایی میتوانند در حسگرهای مادون قرمز هوشمندتر، سیستمهای انرژی کارآمدتر و انواع جدیدی از حافظههای فوتونیک که اطلاعات را بهجای بارهای الکتریکی با استفاده از نور و گرما ذخیره میکنند، به کار روند.
این تحقیق در Laser & Photonics Reviews منتشر شده است.
