Фізики запропонували матеріал для програмованого керування теплом

05 серпня 2026 р. 13:49

05 серпня 2026 р. 13:49

Фізики розробили концепцію матеріалу, який можна «програмувати» на певний спосіб поглинання та випромінювання тепла, і цей режим зберігається навіть після вимкнення живлення. Про таку систему керування тепловим випромінюванням повідомляє видання Live Science з посиланням на статтю в журналі Laser & Photonics Reviews.

Запропонований пристрій теоретично дозволяє незалежно контролювати, як матеріал поглинає тепло та як його випромінює, що раніше вважалося неможливим через фундаментальне фізичне обмеження.

Як порушили правило Кірхгофа

У звичайних умовах діє правило взаємності, сформульоване ще в XIX столітті фізиком Густавом Кірхгофом. Воно стверджує, що матеріал, який добре поглинає теплове випромінювання з певного напрямку, так само добре його й випромінює в тому ж напрямку. Це пов’язує вхідний і вихідний потоки тепла та обмежує можливість керувати ними окремо.

У новій роботі дослідники запропонували теоретичний пристрій, який порушує цю симетрію. Він має здатність спрямовувати теплове (інфрачервоне) випромінювання в різні боки та «запам’ятовувати» обраний режим навіть після вимкнення зовнішнього поля.

Поєднання магнітного поля та фазового матеріалу

Концепція базується на поєднанні двох різних матеріалів, які зазвичай не використовують разом. Нижній шар складається з арсеніду індію — речовини, що добре поглинає та випромінює інфрачервоне світло. До нього прикладають магнітне поле, яке порушує природну симетрію: випромінювання, що рухається в одному напрямку, починає поводитися інакше, ніж випромінювання в протилежному напрямку.

Поверх цього шару розташована гратка з германій-сурма-телурового сплаву (GST) — фазозмінного матеріалу. Він може існувати у двох різних структурних станах і зберігати обраний стан доти, доки його спеціально не перемкнуть знову.

Коли GST переводять в один із цих станів, він «фіксує» створену магнітним полем різницю в поведінці випромінювання за напрямками. Завдяки цьому пристрій зберігає налаштований режим керування теплом без постійного підведення енергії — саме це автори й називають програмованістю.

Чому це важливо для практики

Фахівець з матеріалознавства Массачусетського технологічного інституту Цзюцзюнь Ху (Juejun Hu), який не брав участі в роботі, назвав ідею «елегантним поєднанням магнітооптичної невзаємності з незмінним фазозмінним матеріалом». Раніше спроби досягти подібного спрямованого контролю тепла зазвичай працювали лише за дуже великих кутів падіння випромінювання, що робило їх малопридатними для реальних оптичних систем.

Нова ж схема, за оцінкою Ху, зберігає ефект навіть коли випромінювання приходить лише приблизно під 3 градуси відносно прямої лінії. Це значно спрощує інтеграцію такого пристрою в компактні інфрачервоні сенсори та інші оптичні системи.

Дослідники порівнюють свою розробку з комп’ютерною пам’яттю, оскільки вона утримує запрограмований стан без живлення. Втім, як уточнює Ху, пристрій зберігає не саме тепло, а матеріальний стан: GST лишається в аморфній або кристалічній формі, а разом із цим зберігається й задана теплова відповідь.

Поки що лише теорія, але з реалістичними перспективами

Наразі описаний пристрій існує тільки у вигляді теоретичної моделі: його ще не виготовили й не протестували в лабораторії. Попри це, Ху вважає концепцію реалістичною, оскільки вона спирається на добре вивчені матеріали та відомі технології виробництва.

Одним із обмежень нинішнього проєкту є відносно велика товщина шару GST. Через це багаторазове перемикання між фазами може бути технічно складним. Автори припускають, що використання інших фазозмінних матеріалів або оптимізація структури допоможе подолати цю проблему.

Якщо це вдасться, першим практичним застосуванням можуть стати інфрачервоні сенсори, де компактне та вибіркове за напрямком поглинання тепла особливо корисне. У перспективі подібні системи можуть сприяти створенню ефективніших енергетичних технологій і нових типів пристроїв, що кодують інформацію не електричними сигналами, а тепловою відповіддю матеріалу.

Наука