Программируемый материал для управления теплом с энергонезависимой памятью состояния
Исследователи из Университета Осакской метрополии разработали программируемое термическое устройство, способное контролировать направление теплового излучения и сохранять свою конфигурацию после отключения питания. Данная функциональность может в будущем содействовать более интеллектуальному тепловому управлению в высокопроизводительных чипах, кремниевой фотонике, инфракрасных датчиках и системах сбора энергии. Работа опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews. Представленное решение преодолевает два longstanding препятствия, мешавших практической реализации устройств с неупорядоченным (необратимым) тепловым излучением.
Устройство сочетает магнитооптический материал — вещество, изменяющее свои оптические свойства в присутствии магнитного поля, — с фазово-преобразующимся материалом германий-сурьма-теллур (GST). Это позволяет независимо управлять тем, как поверхность поглощает и испускает инфракрасное излучение. В отличие от предыдущих конструкций, терявших работоспособность после отключения питания или функционировавших только при падении света под экстремально большими углами, данное устройство работает почти перпендикулярно поверхности и сохраняет запрограммированное состояние без непрерывной подачи энергии.
В обычных условиях материалы следуют принципу, согласно которому если поверхность эффективно поглощает тепло на определенной длине волны и в определенном направлении, она должна так же эффективно излучать тепло при тех же условиях. Эта зависимость, определяемая законом Кирхгофа для теплового излучения, характерна для традиционных материалов и ограничивает точность манипуляций с теплом инженерами. Вместо направления тепловой энергии туда, где она наиболее полезна, такие материалы просто излучают тепло в соответствии с тем, как они его поглощают.
Обход этой зависимости стал активной областью исследований, поскольку он может дать инженерам принципиально новый способ контроля тепловой энергии. Устройства, способные независимо управлять поглощением и излучением, могут улучшить радиационное охлаждение, термофотоэлектрические системы, преобразующие тепло в электричество, инфракрасное зондирование, тепловую связь и другие фотонные технологии, где контроль тепла так же важен, как и контроль света.
Исследователи изучали несколько способов достижения этой цели путем нарушения взаимности Лоренца — физического принципа, связывающего входящие и исходящие электромагнитные волны. Большинство подходов опираются на магнитооптические материалы, магнитные вейлевские полуметаллы или активно модулируемые метоповерхности. Однако эти конструкции обычно сталкивались с двумя основными проблемами. Во-первых, для создания сильного направленного поведения свет должен падать на поверхность под очень косыми углами. Хотя это работает экспериментально, это значительно снижает количество используемого теплового излучения и создает широкие неэффективные паттерны излучения. Во-вторых, многие существующие конструкции являются энергозависимыми (летучими). Их поведение исчезает сразу после удаления магнитного поля, электрического сигнала или источника нагрева, контролирующих их, что делает необходимым непрерывное питание просто для поддержания рабочего состояния.
Команда Университета Осакской метрополии решила обе эти проблемы путем сочетания двух материалов, выполняющих взаимодополняющие роли. Первый — арсенид индия (InAs), магнитооптический полупроводник, взаимодействие которого с инфракрасным светом меняется в присутствии магнитного поля. Материал вводит направленную асимметрию, обеспечивающую необратимое тепловое поведение, вместо того чтобы позволять свету вести себя идентично во всех направлениях. Второй компонент — GST, фазово-преобразующийся материал, способный обратимо переключаться между аморфным и кристаллическим состояниями, кардинально изменяя свои оптические свойства, при этом сохраняя записанное состояние даже после отключения питания.
Исследователи сформировали из GST микроскопическую решетку над слоем InAs, создав то, что они называют магнитооптической мета-решеткой. Слой InAs обеспечивает направленное управление, необходимое для разделения поглощения и излучения тепла, в то время как слой GST действует как энергонезависимый переключатель, хранящий режим работы устройства. Применение магнитного поля настраивает взаимодействие инфракрасного излучения со структурой, а изменение фазы GST навсегда изменяет это поведение до момента его преднамеренной перезаписи. По сути, устройство можно запрограммировать на разное тепловое излучение и сохранить эту конфигурацию без необходимости непрерывной подачи энергии.
По словам исследователей, прототип достиг коэффициента необратимости, близкого к 0,9, при угле падения всего три градуса, что гораздо ближе к нормальному падению, чем крутые углы, обычно требуемые предыдущими конструкциями. Система также поддерживает непрерывную настройку через изменение магнитного поля или угла падения, а также цифровое переключение вкл/выкл через фазовый переход GST. Группа дополнительно проанализировала причины ослабления необратимого эффекта при изменении состояния GST, заключив, что снижение связано с комбинацией перераспределения оптического поля и увеличенным затуханием, а не только простыми потерями на поглощение.
Хотя технология остается демонстрацией ранних стадий исследований, возможность программирования теплового излучения может в будущем стать ценной для вычислительного оборудования по мере того, как процессоры будут размещать все больше транзисторов, чиплетов и фотонных компонентов во все более компактных корпусах. Будущие тепловые метоповерхности могут дать инженерам еще один инструмент для отвода тепла от горячих точек, снижения теплового помехового воздействия между соседними чиплетами или стабилизации кремниевых фотонных устройств, оптические характеристики которых изменяются с температурой.
Помимо вычислений, исследователи также предполагают применение в радиационном охлаждении, термофотоэлектрическом преобразовании энергии, инфракрасных излучателях, системах тепловой связи и технологиях фотонной памяти. На данный момент работа остается лабораторной демонстрацией, а не готовой к внедрению технологией. Перед тем как программируемые тепловые излучатели найдут применение в коммерческой электронике, предстоит решить значительные инженерные задачи.
Поделиться
