دورزدن قانونی ۱۶۰ ساله؛ ساخت دستگاهی که می‌تواند جهت حرکت گرما را کنترل کند

گرما، برخلاف آنچه به نظر می‌رسد، رفتاری بسیار منظم و قاعده‌مند دارد. یکی از قدیمی‌ترین قوانین فیزیک که در قرن نوزدهم توسط فیزیکدانی به نام گوستاو کیرشهوف بیان شد، می‌گوید هر ماده‌ای که گرما را از یک جهت به خوبی جذب کند، باید گرما را به همان خوبی در همان جهت منتشر کند. این اصل که قانون تقابل نام دارد، تاکنون توانایی مهندسان را برای کنترل مستقل گرمای ورودی و خروجی محدود کرده بود.

اما گروهی از محققان با طراحی ماده‌ای جدید، قانون ۱۶۰ ساله کیرشهوف را دور زده‌اند. آنها دستگاهی نظری ساخته‌اند که می‌تواند تابش گرما را در جهت‌های مختلف هدایت کند و این تنظیمات را حتی پس از قطع برق به خاطر بسپارد.

دستگاه جدید، دو ماده را که معمولاً با هم کار نمی‌کنند، در کنار هم قرار می‌دهد. اول، لایه‌ی آرسنید ایندیم که تابش فروسرخ را جذب و منتشر می‌کند. محققان با اعمال میدان مغناطیسی، تقارن طبیعی این لایه را می‌شکنند. در نتیجه، تابشی که در یک جهت حرکت می‌کند، رفتاری متفاوت با تابشی دارد که در جهت مخالف حرکت می‌کند. به این پدیده، ناپایداری مغناطیسی-نوری می‌گویند.

دوم،‌ لایه‌ی کریستال فاز متغیر که به‌عنوان یک توری از جنس ژرمانیوم-آنتیموان-تلوریوم (GST)، بالای لایه‌ی اول قرار می‌گیرد. این ماده‌ی خاص، می‌تواند بین دو ساختار فیزیکی کاملاً متفاوت جابه‌جا شود و در هر حالتی که قرار می‌گیرد، بدون نیاز به برق، همان حالت را حفظ کند. این لایه، تفاوت جهت‌دار ایجادشده توسط لایه‌ی اول را قفل می‌کند و به دستگاه امکان می‌دهد رفتار حرارتی خود را «برنامه‌ریزی» کند و به خاطر بسپارد؛ درست یک حافظه‌ی کامپیوتر که پس از خاموش‌شدن، اطلاعاتش را حفظ می‌کند.

پیامد قانون کیرشهوف این است که همیشه بخشی از انرژی جذب‌شده، دوباره به سمت منبع بازمی‌گردد و هدر می‌رود. اما این قابلیت که بتوان گرما را از یک جهت جذب و در جهتی کاملاً متفاوت منتشر کرد، زمینه‌ساز پیشرفت‌های بزرگی در چند حوزه می‌شود:

۱. سیستم‌های انرژی کارآمدتر: پنل‌های خورشیدی که امروز بخشی از انرژی جذب‌شده را بازتاب می‌دهند، با این فناوری می‌توانند تقریباً تمام تابش خورشید را جذب و انرژی بیشتری تولید کنند. به عبارت بهتر، دیگر گرمایی هدر نمی‌رود.

۲. مدیریت حرارتی پیشرفته: در دستگاه‌های الکترونیکی که قطعات حساس در کنار هم قرار دارند، این فناوری اجازه می‌دهد گرمای اضافی یک قطعه را دقیقاً به سمت بیرون هدایت کنیم، بدون اینکه به قطعات مجاور آسیب برسد. مهندسان به‌لطف این فناوری می‌توانند قطعات را فشرده‌تر کنار هم بچینند و همچنان از داغ‌شدن آنها جلوگیری کنند.

۳. سنسورهای فروسرخ هوشمند: این سنسورها که در دوربین‌های حرارتی و سیستم‌های تشخیص چهره استفاده می‌شوند، با این فناوری می‌توانند گرما را فقط از یک جهت خاص دریافت کنند و از تداخل منابع حرارتی دیگر در امان باشند. این ویژگی به تولید تصاویر با دقت تفکیک‌پذیری بالاتر و افزایش اطمینان‌پذیری در فرآیندهای تشخیصی منجر می‌شود.

علاوه بر این، طراحی جدید یک مزیت کلیدی دیگر هم دارد که آن را از تلاش‌های قبلی متمایز می‌کند. در گذشته، دانشمندان برای کنترل جهت‌دار گرما، مجبور بودند تابش را با زاویه‌های بسیار تند (نزدیک به افق) به ماده بتابانند. این شرط سخت، عملاً چنین فناوری‌هایی را برای استفاده در دنیای واقعی غیرممکن می‌کرد؛ زیرا در بیشتر کاربردهای عملی، تابش گرما تقریباً عمودی (با زاویه‌ای نزدیک به ۹۰ درجه) به سطح برخورد می‌کند.

اما دستگاه جدید این محدودیت را دور زده است. محققان نشان داده‌اند این فناوری زمانی که تابش تنها سه درجه با حالت کاملاً عمودی انحراف دارد، عملکرد بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد. بنابراین، می‌توان آن را، بدون نیاز به تنظیمات پیچیده یا زوایای غیرطبیعی، به راحتی در سیستم‌های نوری و حرارتی واقعی به کار گرفت.

بااین‌حال، دستگاه مورد بحث هنوز در مرحله‌ی نظری قرار دارد و به صورت فیزیکی ساخته نشده است؛ اما کارشناسان معتقدند ساخت آن با استفاده از مواد و فناوری‌های موجود، کاملاً ممکن و عملی است.

البته، مانعی بزرگ هم سر راه وجود دارد: لایه‌ای از ماده‌ی تغییرفازدهنده (GST) که نقش کلیدی در عملکرد دستگاه دارد، بسیار ضخیم است و همین ضخامت، تغییر حالت مکرر آن را دشوار می‌کند. به عبارت دیگر، اگر بخواهیم دستگاه را بارها و بارها بین دو حالت مختلف تنظیم کنیم، این لایه‌ی ضخیم باعث کندی و پیچیدگی کار می‌شود.

جذاب‌ترین چشم‌انداز، در آینده‌ای دورتر نهفته است. فناوری جدید می‌تواند به ساخت کامپیوترهای حرارتی منجر شود که به جای جریان الکتریسیته، از جریان گرما برای پردازش و ذخیره‌سازی اطلاعات استفاده می‌کنند. در چنین کامپیوترهایی، داده‌ها نه به صورت بیت‌های صفر و یک الکتریکی، بلکه به صورت الگوهای حرارتی ذخیره و پردازش می‌شوند. این ایده می‌تواند انقلابی در دنیای محاسبات ایجاد کند و راه را برای سیستم‌هایی با مصرف انرژی بسیار کمتر و کارایی بالاتر هموار سازد.

پژوهش در ژورنال Laser & Photonics Reviews منتشر شده است.