Университет Осаки Метрополитен разработал программируемое устройство терморегуляции с коэффициентом невзаимности 0,9 при угле падения 3 градуса

Репортаж от Wedoany，Исследователи из Университета Осаки Метрополитен (Osaka Metropolitan University) разработали программируемое устройство терморегуляции, которое не только контролирует положение излучения тепла, но и запоминает своё состояние конфигурации после отключения питания. Эта разработка может обеспечить более интеллектуальное управление теплом для высокопроизводительных чипов, кремниевой фотоники, инфракрасных датчиков и систем сбора энергии. Соответствующее исследование опубликовано в журнале «Laser & Photonics Reviews» и решает две основные проблемы, долгое время препятствовавшие практическому применению невзаимных устройств терморегуляции.

Устройство объединяет магнитооптический материал (материал, оптические свойства которого изменяются под воздействием магнитного поля) с фазовым материалом германий-сурьма-теллур (GST), что позволяет независимо контролировать, как поверхность поглощает и излучает инфракрасное излучение. В отличие от предыдущих конструкций, это устройство работает практически в условиях вертикального падения и не требует постоянного энергоснабжения для сохранения запрограммированного состояния. Традиционные материалы подчиняются закону теплового излучения Кирхгофа, согласно которому поглощение и излучение поверхности на определённой длине волны и в определённом направлении одинаковы, что ограничивает способность инженеров точно управлять теплом. Устройства, способные независимо регулировать поглощение и излучение, могут улучшить такие оптоэлектронные технологии, как радиационное охлаждение, термофотоэлектрические системы, инфракрасное зондирование и тепловую связь.

Исследователи изучили различные методы достижения этой цели путём нарушения лоренцевой взаимности (Lorentz reciprocity), большинство из которых основаны на магнитооптических материалах, магнитных вейлевских полуметаллах или активно модулируемых метаповерхностях. Однако такие конструкции обычно сталкиваются с двумя основными узкими местами: либо требуется, чтобы свет падал на поверхность под очень крутым углом для создания сильного направленного поведения, либо конструкция является энергозависимой — её поведение исчезает при удалении управляющих магнитных полей, электрических сигналов или источников тепла. Исследовательская группа Университета Осаки Метрополитен решила эти ограничения, объединив материалы с двумя взаимодополняющими функциями. Первый — арсенид индия (InAs), магнитооптический полупроводник, взаимодействие которого с инфракрасным светом изменяется под воздействием магнитного поля, что вносит направленную асимметрию. Второй — GST, фазовый материал, который может обратимо переключаться между аморфным и кристаллическим состояниями, при этом его оптические свойства резко меняются, и независимо от того, в каком состоянии он записан, он сохраняет это состояние даже после отключения питания.

Исследователи сформировали из GST узор в виде микрорешетки над слоем InAs, создав так называемую магнитооптическую метарешетку (magneto-optical metagrating). InAs обеспечивает управление направлением, а слой GST действует как энергонезависимый переключатель. Приложение магнитного поля регулирует способ взаимодействия инфракрасного излучения со структурой, а изменение фазы GST навсегда изменяет это поведение. Прототип достиг коэффициента невзаимности, близкого к 0,9, при рабочем угле падения всего 3 градуса, что значительно меньше крутых углов падения, обычно требуемых предыдущими конструкциями. Система также поддерживает непрерывную настройку путём изменения магнитного поля или угла падения, а также цифровое переключение за счёт фазового перехода GST. Исследовательская группа проанализировала причины ослабления эффекта невзаимности при изменении состояния GST, указав, что это связано с совместным действием перераспределения светового поля и увеличения демпфирования, а не только с потерями на поглощение.

Эта технология всё ещё находится на ранней стадии исследовательской демонстрации. По мере того как процессоры интегрируют всё больше транзисторов, чиплетов и фотонных компонентов в компактные корпуса, способность программируемого теплового излучения может быть ценной в вычислительном оборудовании, например, для отвода тепла из горячих точек, уменьшения тепловых помех между соседними чиплетами или стабилизации кремниевых фотонных устройств, оптические свойства которых дрейфуют с изменением температуры. Исследователи также видят её применение в радиационном охлаждении, термофотоэлектрическом преобразовании энергии, инфракрасных излучателях, системах тепловой связи и технологиях фотонной памяти. В настоящее время эта работа остаётся лабораторной демонстрацией, и для её коммерческого внедрения предстоит преодолеть множество инженерных задач.