Osaka Kent Üniversitesi'nden araştırmacılar, ısıyı istediği yöne yönlendirebilen ve güç kesildikten sonra bile programlanan durumunu koruyabilen, yeni nesil bir termal cihaz geliştirdi. Bu çığır açan teknoloji, yüksek performanslı çiplerde, silikon fotoniklerde, kızılötesi sensörlerde ve enerji hasat sistemlerinde daha akıllı termal yönetim çözümleri sunabilir.
Geliştirilen bu özel malzeme, manyetik alan varlığında optik özelliklerini değiştiren bir manyetoo-optik malzeme ile, faz değiştiren bir malzeme olan germanyum-antimon-tellür (GST) kombinasyonunu kullanıyor. Bu sayede bir yüzeyin kızılötesi radyasyonu ne kadar emdiği ve yaydığı bağımsız olarak kontrol edilebiliyor. Daha önceki tasarımlar güç kesildiğinde işlevini kaybederken veya sadece çok dar açılarda ışık vurduğunda çalışırken, yeni geliştirilen cihaz neredeyse dik açılarda bile çalışabiliyor ve programlanan durumunu sürekli enerjiye ihtiyaç duymadan koruyabiliyor.
Normal koşullarda, malzemeler belirli bir dalga boyunda ve yönde ısıyı verimli bir şekilde emiyorsa, aynı koşullar altında ısıyı eşit derecede iyi yayması gerektiğini belirten bir prensibi takip eder. Bu, Kirchhoff'un termal radyasyon yasası ile tanımlanan bir ilişkidir ve geleneksel malzemeler için geçerlidir. Bu durum, mühendislerin ısıyı ne kadar hassas bir şekilde kontrol edebileceğini sınırlar. Bu malzemeler, termal enerjiyi en çok ihtiyaç duyulan yere yönlendirmek yerine, emilim şekillerine göre ısı yayarlar.
Bu ilişkiyi aşmak, mühendislere termal enerjiyi kontrol etmek için tamamen yeni bir yol sunabileceği için aktif bir araştırma alanı haline geldi. Emilim ve yayılımı bağımsız olarak yönlendirebilen cihazlar, radyatif soğutmayı, ısıyı elektriğe dönüştüren termofotovoltayik sistemleri, kızılötesi algılamayı, termal iletişimi ve ısı kontrolünün ışık kontrolü kadar önemli olduğu diğer fotonik teknolojileri iyileştirebilir.
Araştırmacılar bu hedefe ulaşmak için Lorentz karşılıklılığını bozan çeşitli yollar denediler. Çoğu yaklaşım, manyetoo-optik malzemeler, manyetik Weyl yarı metalleri veya aktif olarak modüle edilmiş metasurlara dayanıyordu. Ancak bu tasarımlar genellikle iki büyük sorunla karşılaşıyordu. Birincisi, güçlü bir yönlü davranış üretmek için ışığın yüzeye çok eğimli veya sığ açılarla çarpmasını gerektiriyorlardı. Bu durum deneysel olarak çalışsa da, kullanılabilir termal radyasyon miktarını önemli ölçüde azaltıyor ve geniş, verimsiz emisyon modelleri üretiyordu. İkinci olarak, mevcut tasarımların çoğu uçucuydu. Manyetik alan, elektrik sinyali veya ısıtma kaynağı kaldırıldığı anda davranışları kayboluyordu ve işletme durumlarını korumak için sürekli güç gerekiyordu.
Osaka Kent Üniversitesi ekibi, tamamlayıcı rolleri olan iki malzemeyi birleştirerek bu sınırlamaların her ikisini de aştı. Bu malzemelerden ilki, manyetik alan varlığında kızılötesi ışıkla etkileşimi değişen bir manyetoo-optik yarı iletken olan indiyum arsenittir (InAs). Işığın tüm yönlerde aynı şekilde davranmasına izin vermek yerine, malzeme, karşılıklı olmayan termal davranışa izin veren yönlü bir asimetri oluşturur. İkinci malzeme ise, amorf ve kristal durumlar arasında geri dönüşümlü olarak geçiş yapabilen ve optik özelliklerini önemli ölçüde değiştiren bir faz değiştiren malzeme olan GST'dir. Bu malzeme, üzerine yazıldıktan sonra güç kesilse bile o durumu korur.
Araştırmacılar, InAs katmanının üzerine mikroskobik bir ızgara şeklinde GST desenleyerek, kendi tanımladıkları gibi bir manyetoo-optik metagrating oluşturdular. InAs, ısı emilimini ısı yayılımından ayırmak için gereken yönlü kontrolü sağlarken, GST katmanı cihazın çalışma modunu saklayan, uçucu olmayan bir anahtar görevi görüyor. Manyetik alan uygulamak, kızılötesi radyasyonun yapı ile nasıl etkileşime girdiğini ayarlar; GST'nin fazını değiştirmek ise, kasıtlı olarak yeniden yazılana kadar bu davranışı kalıcı olarak değiştirir. Etkin bir şekilde, cihaz ısıyı farklı şekilde yayacak şekilde programlanabilir ve bu konfigürasyonu sürekli enerji gerektirmeden koruyabilir.
Araştırmacılara göre, prototip, önceki tasarımlarda tipik olarak gereken dik açılardan çok daha yakın olan üç derecelik bir geliş açısında çalışırken, 0.9'a yaklaşan bir karşılıklı olmayanlık faktörü elde etti. Sistem ayrıca manyetik alandaki veya geliş açısındaki değişiklikler yoluyla sürekli ayarı ve GST faz geçişi yoluyla dijital açma-kapama anahtarlamayı destekliyor. Ekip ayrıca GST'nin durum değiştirmesiyle karşılıklı olmayan etkinin neden zayıfladığını analiz etti ve bu azalmanın basit emilim kayıplarının yanı sıra optik alan yeniden dağılımı ve artan sönümlemenin bir kombinasyonundan kaynaklandığı sonucuna vardı.
Teknoloji hala erken aşama bir araştırma gösterimi olsa da, termal radyasyonu programlama yeteneği, işlemcilerin giderek daha kompakt paketlere daha fazla transistör, çiplet ve fotonik bileşen yerleştirmesiyle, bilgi işlem donanımında nihayetinde değerli hale gelebilir. Gelecekteki termal metasurları, mühendislere sıcak noktalardan ısıyı yönlendirmek, komşu çipletler arasındaki termal paraziti azaltmak veya sıcaklıkla değişen optik özelliklere sahip silikon fotonik cihazları stabilize etmek için ek bir araç sunabilir.
Bilgi işlemin ötesinde, araştırmacılar radyatif soğutma, termofotovoltayik enerji dönüşümü, kızılötesi yayıcılar, termal iletişim sistemleri ve fotonik bellek teknolojilerinde de uygulamalar öngörüyor. Ancak şimdilik, bu çalışma konuşlandırılabilir bir teknolojiden ziyade bir laboratuvar gösterimi olmaya devam ediyor. Programlanabilir termal yayıcıların ticari elektroniklere ulaşmadan önce önemli mühendislik zorluklarının aşılması gerekiyor.
