Nella maggior parte dei materiali, il modo in cui il calore viene assorbito e il modo in cui viene emesso sono inseparabili. Se una superficie assorbe il calore in modo efficiente da una particolare direzione o lunghezza d’onda, lo emette anche nello stesso modo. Questo principio consolidato, noto come reciprocità, ha reso difficile per gli scienziati controllare in modo indipendente come l’energia termica entra ed esce da un materiale.
Se questi due processi potessero essere separati, tuttavia, gli ingegneri potrebbero dirigere il calore con molta più precisione. Un materiale potrebbe assorbire energia termica da una direzione e rilasciarla in un’altra, migliorando potenzialmente la gestione termica, la conversione energetica, il rilevamento a infrarossi e le tecnologie di comunicazione termica.
Un materiale in grado di controllare il calore
Per superare questa limitazione, un team internazionale guidato dal professor Koichi Okamoto e dal dottor Shunsuke Murai della Facoltà di Ingegneria dell’Università Metropolitana di Osaka ha sviluppato un nuovo tipo di dispositivo utilizzando materiali magneto-ottici. Questi materiali modificano il modo in cui interagiscono con la luce quando esposti a un campo magnetico, rendendo possibile alterarne il comportamento termico.
I ricercatori hanno combinato un materiale magneto-ottico con un materiale a cambiamento di fase noto come GST. Il dispositivo risultante è in grado di controllare la direzione in cui viene irradiato il calore, attivare o disattivare tale comportamento e mantenere la sua configurazione anche dopo lo spegnimento. In pratica, consente di programmare il calore in un modo simile a come i dati vengono memorizzati e controllati all’interno di un chip per computer.
“Abbiamo fatto in modo che la radiazione termica si comportasse in maniera più ‘intelligente'”, ha spiegato il dottor Murai. “Raggiungere queste capacità in un modello funzionante potrebbe consentire lo sviluppo di una nuova generazione di emettitori a infrarossi efficienti, dispositivi a energia termica, sensori e tecnologie di memoria fotonica.”
Prestazioni migliori rispetto ai modelli precedenti
Il team ha scoperto che il dispositivo reagiva in modo diverso a seconda della direzione da cui proveniva la luce, anche quando questa lo colpiva quasi frontalmente. Le tecnologie precedenti, in genere, richiedevano che la luce colpisse il materiale con angoli molto ripidi per ottenere effetti simili, riducendo sia l’assorbimento che l’efficienza di radiazione rispetto all’incidenza normale.
Il nuovo design ha inoltre risolto altri inconvenienti dei sistemi precedenti. I dispositivi precedenti presentavano commutazioni incoerenti tra lo stato “acceso” e quello “spento” e perdevano la configurazione memorizzata una volta interrotta l’alimentazione. Al contrario, il nuovo materiale è in grado di commutare gli stati in modo affidabile preservando la memoria, risultando quindi molto più pratico per le applicazioni future.
Verso dispositivi termici programmabili
I ricercatori considerano questa tecnologia un passo importante verso dispositivi in grado di gestire il calore con lo stesso livello di precisione utilizzato dai circuiti elettronici per controllare l’elettricità.
“Il nostro obiettivo finale è sviluppare dispositivi compatti in grado di controllare attivamente la radiazione termica, in modo simile a come i circuiti elettronici controllano il flusso di elettricità”, ha affermato il professor Okamoto. “Tali dispositivi potrebbero essere utilizzati in sensori a infrarossi più intelligenti, sistemi energetici più efficienti e nuovi tipi di memoria fotonica che memorizzano informazioni utilizzando luce e calore anziché cariche elettriche.”
Abstract
La rottura della reciprocità di Lorentz nella radiazione termica richiede in genere angoli di incidenza radenti estremi, con conseguenti gravi perdite di proiezione geometrica e volatilità dello stato. Qui proponiamo un assorbitore dinamico, non volatile e non reciproco che integra un cambiamento di fase. Ge2Sb2Te5(GST) reticolo sopra una guida d’onda magneto-ottica InAs. Sfruttando la risposta magneto-ottica trasversale nella configurazione Voigt e l’abbinamento preciso del momento, il meta-reticolo raggiunge un forte contrasto di assorbimento non reciproco ( || ≈0.90) ad un angolo di incidenza quasi normale di 3 ∘sotto un campo magnetico moderato. Il dispositivo consente la sterzatura spettrale continua tramite l’angolo di incidenza e il campo magnetico, insieme al blocco digitale non volatile dello stato non reciproco tramite commutazione GST. Attraverso la teoria delle perturbazioni non hermitiane, riveliamo che lo spegnimento della non reciprocità durante la transizione di fase ha origine sinergicamente dalla ridistribuzione spaziale del campo e dallo smorzamento indotto dalle perdite. I nostri risultati forniscono una piattaforma robusta e non volatile per il controllo avanzato delle emissioni termiche.
Materiale fornito dall’Università Metropolitana di Osaka . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Ye Ming Qing, Yi Shen, Jun Wu, Shunsuke Murai, Zhaogang Dong, Koichi Okamoto. Reconfigurable Giant Nonreciprocity at Near‐Normal Incidence via Phase‐Change Magneto‐Optical Metagratings. Laser, 2026; DOI: 10.1002/lpor.71438
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