Vedci obišli 160 rokov staré pravidlo fyziky. Teplo sa po novom dá „programovať“
Vedci navrhli štruktúru, ktorá dokáže riadiť tepelné žiarenie a zapamätať si nastavenie bez stáleho napájania. Využitie môže nájsť v senzoroch či fotonických pamätiach.
Riadiť tepelné žiarenie podobne, ako elektronický obvod riadi elektrický prúd, zostáva pre fyzikov veľkou výzvou. Medzinárodný tím vedený vedcami z Osaka Metropolitan University teraz ukázal, ako by sa k tomu dalo priblížiť. Navrhol štruktúru, ktorá reaguje rozdielne podľa toho, z ktorej strany na ňu infračervené žiarenie dopadne.
Jej správanie sa dá prepínať a zvolené nastavenie by si dokázala uchovať aj bez stáleho napájania.
Na hotové zariadenie si však ešte počkáme. Vedci zatiaľ pracovali s teoretickým modelom a počítačovými simuláciami, fyzický prototyp nevyrobili.
Bežné povrchy sa pri tepelnom žiarení riadia reciprocitou. Ak dobre pohlcujú žiarenie s určitou vlnovou dĺžkou prichádzajúce pod konkrétnym uhlom, za rovnakých podmienok ho podobne aj vyžarujú. Tento vzťah opisuje Kirchhoffov zákon tepelného žiarenia, ktorý fyzika pozná už viac než 160 rokov. Absorpcia a emisia sú preto pevne previazané, čo inžinierom zväzuje ruky pri presnejšom usmerňovaní tepelnej energie.
Autori štúdie tento vzťah narušili spojením dvoch odlišných materiálov. Arzenid india, známy pod skratkou InAs, reaguje na magnetické pole. Druhou časťou je GST, fázovo meniteľný materiál, ktorý dokáže prechádzať medzi amorfným a kryštalickým stavom.
Neprehliadni
GST sa pritom po prepnutí nevráti automaticky späť. V novej fáze zostane aj po odpojení energie, podobne ako pamäťová bunka uchová uloženú informáciu. Energiu teda potrebuje pri zmene stavu, nie na jeho neustále udržiavanie.
Z jednej strany pohltí žiarenie inak než z druhej
Navrhnutý tepelný žiarič tvorí jemná mriežka z GST uložená na magnetooptickej vrstve z InAs. Pod ňou sa nachádza ďalšia vlnovodová vrstva a strieborný reflektor, ktorý bráni úniku žiarenia spodnou stranou.
Bez magnetického poľa by však takáto skladba nestačila. Vedci ho nastavili vo Voigtovej konfigurácii, teda priečne k smeru šírenia žiarenia. V tejto polohe mení optickú odozvu InAs a ruší symetriu medzi opačnými smermi.
Keď žiarenie príde z jednej strany, štruktúra ho preto môže absorbovať silnejšie než pri dopade z opačného smeru. Fyzici tento rozdiel označujú ako nereciprocitu. Neznamená to, že sa dej nedá obrátiť. Mení sa len odozva zariadenia po otočení smeru žiarenia.
Takýto jav by raz mohol umožniť oveľa presnejšie oddeliť pohlcovanie tepelného žiarenia od jeho vyžarovania.
Stačil uhol len tri stupne
Najsilnejší výsledok priniesol model pri takmer kolmom dopade. Pri uhle tri stupne a magnetickom poli s intenzitou jeden tesla dosiahla vypočítaná nereciprocita hodnotu približne 0,90. Maximum sa objavilo pri vlnovej dĺžke okolo 13,24 mikrometra v strednej infračervenej oblasti.
Práve malý uhol je jednou z hlavných výhod návrhu. Staršie riešenia často potrebovali veľmi šikmý dopad, niekedy takmer rovnobežný s povrchom. V takom usporiadaní sa horšie využíva plocha zariadenia a klesá aj účinnosť absorpcie či emisie.
Tu žiarenie dopadá takmer priamo na povrch.
Odozvu štruktúry možno podľa simulácií meniť tromi spôsobmi. Uhol dopadu ovplyvňuje spektrum, magnetické pole posúva rezonančnú frekvenciu a prepnutie GST rozhoduje o tom, či zostane nerecipročný efekt silný alebo sa takmer stratí. Rozmery mriežky zasa určujú, v ktorej časti infračerveného spektra bude zariadenie pracovať.
Jedna fáza efekt zapne, druhá ho utlmí
V amorfnom stave GST dosahovala nereciprocita približne 0,90. Po kryštalizácii klesla pod 0,15. Medzi oboma stavmi je teda dostatočne veľký rozdiel na to, aby sa dali použiť ako zapnutý a vypnutý režim.
Za zmenou stojí odlišný index lomu aj vyššie optické straty kryštalického GST. Po prepnutí sa zmenia rezonančné podmienky, optické pole sa presunie do iných častí štruktúry a pôvodná rezonancia zoslabne.
Pozoruhodné je, že absorpcia pritom nemusí klesnúť rovnako prudko ako nereciprocita. Štruktúra môže stále pohlcovať značnú časť žiarenia, no rozdiel medzi dvoma opačnými smermi sa takmer vytratí.
Za poklesom nereciprocity teda nestojí iba vyššia pohlcovavosť kryštalického GST. Podieľa sa na ňom aj presun optického poľa a tlmenie rezonancie vyvolané optickými stratami.
Či bude návrh fungovať, ukáže až vyrobený prototyp
Navrhnutá štruktúra by mohla nájsť miesto v optických izolátoroch, infračervených senzoroch pracujúcich vo viacerých pásmach či v systémoch, ktoré potrebujú presne usmerňovať tepelné žiarenie. Autori počítajú aj s fotonickými pamäťami, kde by sa informácia neukladala elektrickým nábojom, ale zmenou optického a tepelného stavu materiálu.
Nízku spotrebu by zabezpečoval práve GST. Po prepnutí zostáva vo vybranej fáze bez nepretržitého prívodu energie, takže elektrinu by zariadenie spotrebovalo najmä pri zmene nastavenia.
Najbližším krokom už nebude ďalšie vylepšovanie slovného opisu, ale výroba prototypu. Až merania ukážu, či vypočítaná nereciprocita prežije aj výrobné nepresnosti, materiálové straty a podmienky mimo počítačovej simulácie.
