es.wedoany.com Noticia: Investigadores de la Universidad Metropolitana de Osaka (Osaka Metropolitan University) han desarrollado un dispositivo de control térmico programable que no solo puede controlar la ubicación de la radiación térmica, sino que también recuerda su estado de configuración después de un corte de energía. Se espera que este avance proporcione una gestión térmica más inteligente para chips de alto rendimiento, fotónica de silicio, sensores infrarrojos y sistemas de recolección de energía. La investigación, publicada en Laser & Photonics Reviews, resuelve dos grandes desafíos que durante mucho tiempo han obstaculizado la aplicación práctica de dispositivos de control térmico no recíprocos.
El dispositivo combina un material magnetoóptico (un material cuyas propiedades ópticas cambian bajo un campo magnético) con el material de cambio de fase germanio-antimonio-telurio (GST), lo que permite controlar de forma independiente cómo la superficie absorbe y emite radiación infrarroja. A diferencia de diseños anteriores, el dispositivo funciona casi en condiciones de incidencia vertical y no requiere un suministro continuo de energía para mantener su estado programado. Los materiales tradicionales siguen la ley de radiación térmica de Kirchhoff, según la cual la absorción y la emisión de una superficie en una longitud de onda y dirección específicas son iguales, lo que limita la capacidad de los ingenieros para manipular el calor con precisión. Los dispositivos capaces de regular de forma independiente la absorción y la emisión pueden mejorar tecnologías optoelectrónicas como la refrigeración radiativa, los sistemas fotovoltaicos térmicos, la detección infrarroja y las comunicaciones térmicas.
Los investigadores exploraron varios métodos para lograr este objetivo rompiendo la reciprocidad de Lorentz (Lorentz reciprocity). La mayoría de los enfoques se basan en materiales magnetoópticos, semimetales de Weyl magnéticos o metasuperficies moduladas activamente. Sin embargo, estos diseños suelen enfrentarse a dos cuellos de botella principales: o requieren que la luz incida en la superficie con un ángulo muy inclinado para generar un comportamiento fuertemente direccional, o el diseño es volátil: su comportamiento desaparece una vez que se eliminan el campo magnético, la señal eléctrica o la fuente de calor que los controla. El equipo de investigación de la Universidad Metropolitana de Osaka superó estas limitaciones combinando materiales con dos funciones complementarias. El primero es el arseniuro de indio (InAs), un semiconductor magnetoóptico cuya interacción con la luz infrarroja cambia bajo la acción de un campo magnético, introduciendo así una asimetría direccional. El segundo es el GST, un material de cambio de fase que puede conmutar reversiblemente entre estados amorfo y cristalino, cuyas propiedades ópticas cambian drásticamente y, independientemente del estado en el que se escriba, mantiene ese estado incluso después de un corte de energía.
Los investigadores modelaron el GST formando una rejilla microscópica sobre la capa de InAs, creando lo que se denomina una metarejilla magnetoóptica (magneto-optical metagrating). El InAs proporciona el control direccional, mientras que la capa de GST actúa como un interruptor no volátil. La aplicación de un campo magnético ajusta la forma en que la radiación infrarroja interactúa con la estructura, mientras que cambiar la fase del GST altera permanentemente ese comportamiento. El prototipo logró un factor de no reciprocidad cercano a 0,9 con un ángulo de incidencia de solo 3 grados, mucho menor que los ángulos de incidencia pronunciados que normalmente requerían los diseños anteriores. El sistema también admite un ajuste continuo mediante la variación del campo magnético o el ángulo de incidencia, así como una conmutación digital mediante la transición de fase del GST. El equipo de investigación analizó las razones por las que el efecto no recíproco se debilita cuando cambia el estado del GST, señalando que es el resultado combinado de la redistribución del campo de luz y el aumento del amortiguamiento, y no solo debido a la pérdida por absorción.
Esta tecnología aún se encuentra en una etapa temprana de demostración de investigación. A medida que los procesadores integran más transistores, chiplets y componentes fotónicos en paquetes compactos, la capacidad de controlar la radiación térmica de forma programable podría ser valiosa en el hardware informático, por ejemplo, para extraer calor de áreas críticas, reducir la interferencia térmica entre chiplets adyacentes o estabilizar dispositivos fotónicos de silicio cuyas propiedades ópticas se desvían con los cambios de temperatura. Los investigadores también prevén aplicaciones en refrigeración radiativa, conversión de energía fotovoltaica térmica, emisores infrarrojos, sistemas de comunicación térmica y tecnologías de memoria fotónica. Por ahora, este trabajo sigue siendo una demostración de laboratorio, y aún quedan muchos desafíos de ingeniería por superar antes de lograr su implementación comercial.
