Lämpöä ohjelmoitavana ja varastoitavana infrapunana

He muuttivat lämmön käyttäytymään kuin tietoa. Osakan metropoliyliopiston laboratoriossa tutkijat suostuttelivat lämpösäteilyä noudattamaan uutta sääntöjoukkoa, joiden avulla insinöörit voivat ohjata ja varastoida lämpöä samalla tavalla kuin reititämme ja säilytämme tietoa elektroniikassa.

Temppu perustuu kahteen hyvin eri asiaan: magneto-optiiseen kalvoon, joka muuttaa vuorovaikutustaan valon kanssa magneettikentässä, ja GST-nimisestä faasimuutosseoksesta, joka voi vaihtaa tilaa ja säilyttää sen ilman virtaa. Yhdessä ne muodostavat pinnan, jonka lämpösäteily riippuu suunnasta ja jonka käyttäytymistä voi vaihtaa ja säilyttää.

Miksi sillä on merkitystä? Koska lämpö noudattaa yleensä vastavuoroisuutta: jos pinta imee infrapunasäteilyä yhdestä suunnasta, se yleensä myös säteilee samalla tavalla. Tämä heijastaa fysikaalista symmetriaa, joka on pitkään rajoittanut lämmön hallintaa. Kun rikotaan tuo symmetria, pinta voi imeä lämpöä yhdestä suunnasta ja suosia säteilyä toisessa. Toisin sanoen lämpöenergiaa voi reitittää.

Laitteen kokeet osoittivat jotain harvinaista. Se reagoi eri tavoin tulevaan infrapunaiseen valoon jopa silloin, kun valo osui lähes suoraan, eli siinä tilanteessa jossa aiemmat ei-vastavuoroiset rakenteet epäonnistuivat tai menettivät tehokkuutta. Tuloksena on käytännöllisempi hallinta lämmön virtauksesta kulmissa, joissa todelliset laitteet toimivat.

On myös käytännöllinen voitto: GST-kerros säilyttää tilansa, johon se on vaihdettu, ilman jatkuvaa virransyöttöä. Käännä materiaali imevään tilaan. Sammuta virta. Tila säilyy. Tämä muistimainen ominaisuus tekee rakenteesta kirjaimellisesti ohjelmoitavan.

Lämpöä voi ohjelmoida ja varastoida kuten tietoa.

Kuvittele infrapunasensorit, jotka valikoivasti kuuntelevat tiettyjä suuntia, tai energiankerääjät, jotka ohjaavat hukkaenergian sinne, missä sitä voidaan hyödyntää. Ajattele fotonista muistia, joka käyttää tietovälineenä valoa ja lämpösäteilyä transistorin varausten sijaan. Työtä johtanut ryhmä, professori Koichi Okamoton ja tohtori Shunsuke Murain johdolla, viittaa näihin mahdollisuuksiin ja muihin.

Lähestymistavalla on kuitenkin haasteita edessä: tällaisten kerrosten integroiminen kompakteihin ja valmistettaviin laitteisiin, magneettikenttien ohjauksen skaalaaminen ja suorituskyvyn laajentaminen laajemmille aallonpituuksille ja lämpötiloille. Silti demonstraatio merkitsee käsitteellistä harppausta. Se muuttaa lämmön passiivisesta sivutuotteesta aktiiviseksi signaaliksi, jota voidaan ohjata, kytkeä ja varastoida.

Ajatus siitä, että lämpöä voitaisiin joskus reitittää kuin paketteja pienten pintojen verkon kautta, muuttaa tapaasi kuvitella lämmön suunnittelu. Se avaa myös työkalupakin insinööreille, jotka haluavat taivuttaa infrapunasädettä ihmisten käyttöön, eivät päinvastoin.