(Imagen simbólica). Toda superficie caliente emite radiación infrarroja y hasta ahora existe un vínculo rígido entre la absorción y la liberación de calor. Un proyecto japonés desacopla estos dos procesos y hace posible una radiación térmica programable por ordenador. La estructura debe poder absorber calor de una dirección y liberarlo en otra. Una vez instalado, el sistema permanece en su lugar incluso cuando finaliza el suministro de energía.
(Foto: © Investigación y conocimiento)
Un equipo internacional de la Universidad Metropolitana de Osaka ha presentado una estructura de componentes que permite que la radiación térmica fluya preferentemente en una dirección. El diseño combina un semiconductor magnetoóptico con un material de cambio de fase y en simulaciones logra un contraste de absorción no recíproco de aproximadamente 0,90 con sólo tres grados de ángulo de incidencia. Lo especial es un estado de conmutación que se mantiene sin suministro de energía permanente. Por primera vez, la radiación térmica programable entra en el rango angular en el que realmente operan los sistemas térmicos reales.
El calor sale de cada cuerpo en forma de radiación electromagnética en el rango infrarrojo y la fuerza con la que una superficie emite esta radiación está estrechamente relacionada con su capacidad para absorber la misma radiación. Esta conexión se describe en la ley de radiación de Kirchhoff, formulada por Gustav Kirchhoff en 1860. Por tanto, la emisividad y la absorción son idénticas para la misma longitud de onda y dirección. Esto significa un límite estricto para la práctica técnica. Si diseña un área para absorber calor de manera particularmente eficiente, inevitablemente terminará con un área que libera calor con la misma eficiencia. Un flujo de calor puede aislarse, reflejarse o retardarse, pero no dirigirse directamente en una dirección preferida. Pero precisamente esta vía unidireccional sería interesante para la gestión térmica, los convertidores de energía y los sensores de infrarrojos, porque el calor podría dirigirse de forma similar a la corriente eléctrica en un diodo.
Un equipo internacional dirigido por Koichi Okamoto y Shunsuke Murai de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad Metropolitana de Osaka ha descrito ahora una forma de romper este acoplamiento. El trabajo sobre la no reciprocidad reconfigurable, publicado a finales de junio en la revista Laser and Photonics Reviews, describe una pila de capas que reúne dos conceptos de materiales que antes se usaban por separado, combinando así tres propiedades en un solo componente. La estructura dirige la radiación térmica según la dirección, se puede encender y apagar de forma selectiva y mantiene su estado incluso sin aplicar energía de control. Conceptualmente, el calor se convierte en algo que se puede escribir y almacenar, similar a la información en un chip de memoria. Los enfoques anteriores sólo pudieron satisfacer uno de estos puntos y fallaron debido a condiciones de contorno que casi excluyeron su uso práctico.
Cómo los materiales magnetoópticos rompen la simetría
La clave es la simetría de inversión del tiempo. Si se aplica un campo magnético externo a un semiconductor adecuado, su gas de electrones ya no reacciona en dirección neutra a la luz infrarroja incidente. El equipo utiliza arseniuro de indio dopado, cuyos portadores de carga libres realizan un movimiento ciclotrón en el campo magnético y complementan la función dieléctrica con elementos fuera de la diagonal. Son precisamente estos elementos los que desacoplan la absorción y la emisión de radiación. Para que el efecto no sólo exista formalmente, sino que también sea mensurable, el diseño combina materiales magnetoópticos con una capa reticular nanoestructurada, la llamada red metálica. Crea modos guiados que acoplan la luz infrarroja a la capa activa y aumentan la no reciprocidad donde antes permanecía infinitamente pequeña. Ya se pueden encontrar ideas de control similares en componentes conmutables, como una ventana inteligente que se oscurece en segundos, pero el circuito solo cambia la permeabilidad y no la dirección del flujo de calor.
Porque tres grados de incidencia marcan la diferencia
El verdadero obstáculo de los conceptos anteriores era la geometría. Hasta ahora, la radiación térmica no recíproca sólo se ha producido en ángulos de incidencia muy oblicuos, entre 60 y 70 grados, es decir, exactamente donde la absorción y la emisión disminuyen drásticamente y un componente es de poca utilidad. Según nuestros cálculos, el diseño japonés desplaza el efecto unos tres grados y, por tanto, prácticamente vertical. El contraste de absorción informado entre las dos direcciones es de aproximadamente 0,90 bajo un campo magnético moderado, lo que corresponde a una ruptura casi completa de la simetría anterior. La segunda innovación es el material de cambio de fase GST de germanio, antimonio y telurio, conocido por sus soportes de datos ópticos regrabables. Como se describe en la comunicación adjunta de la Universidad Metropolitana de Osaka, el estado establecido se mantiene cuando se omite el control. En estado amorfo el efecto direccional está activo; un breve pulso de calentamiento cristaliza la capa, cambia el índice de refracción y la apaga.
¿Qué podría significar la memoria térmica para la tecnología?
Esta combinación da como resultado un componente que memoriza su modo de funcionamiento térmico sin consumir energía constantemente. Los autores describen aplicaciones como un aislador óptico de infrarrojo medio conmutable, un emisor selectivo de dirección y una memoria fotónica que almacena información a través de luz y calor en lugar de carga eléctrica. Esto es interesante cuando el calor residual no sólo debe disiparse, sino también redistribuirse de forma selectiva, por ejemplo en componentes electrónicos de alta densidad o en sistemas de refrigeración por radiación que dependen de una radiación casi vertical. El enfoque se complementa con el aspecto material, donde recientemente se han alcanzado récords de disipación de calor, incluido un material metálico con una conductividad térmica antes inalcanzable que disipa el calor más rápidamente pero que tampoco puede controlarlo.
A pesar de todas las implicaciones, sigue siendo una clasificación importante. La publicación describe un diseño desarrollado teóricamente y calculado numéricamente, no un componente fabricado y medido. En primer lugar, un experimento debe demostrar si los valores calculados se pueden reproducir en una pila de capas real con tolerancias de fabricación, pérdidas de interfaz y envejecimiento del material. A esto se suma la necesidad de un campo magnético, que dificulta la creación de sistemas compactos, y la limitación al infrarrojo medio. El trabajo sigue un estudio previo realizado por el mismo grupo en primavera, que había alcanzado cinco grados con una combinación diferente de materiales, y marca así un camino de desarrollo reconocible. Este rango de longitud de onda es visible en la vida cotidiana sólo con ayudas, como una cámara termográfica, que hacen visibles las diferencias de temperatura, por lo que la prueba en el laboratorio requiere una tecnología de medición compleja.
Reseñas sobre láseres y fotónica, no reciprocidad gigante reconfigurable con incidencia casi normal mediante metagraturas magnetoópticas de cambio de fase; doi:10.1002/lpor.71438
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