Физику Кирхгофа обошли спустя 160 лет: создан материал, программирующий тепловое излучение

Тепловая память: как ученые заставили материал «запоминать», куда излучать тепло

Международная группа исследователей спроектировала теоретическое устройство, объединившее магнитную оптику и материал-хамелеон. Оно нарушает фундаментальный закон теплового излучения и сохраняет заданное направление даже после отключения энергии. Пока только на бумаге, но эксперты MIT уже называют разработку «поразительно элегантной»

Исследователи спроектировали материал, способный «программировать» то, как он выпускает тепло, — открытие, прокладывающее путь к более эффективным энергетическим системам и, потенциально, к устройствам, хранящим информацию с помощью тепла, а не электричества.

Конструкция, описанная в исследовании, опубликованном 25 июня в журнале Laser & Photonics Reviews, обходит физическое правило почти 160-летней давности, связывающее поглощение и излучение тепла материалами. В обычных условиях материал, хорошо поглощающий тепло с одного направления, столь же хорошо излучает его в том же направлении. Это правило взаимности, впервые описанное физиком Густавом Кирхгофом в XIX веке, долгое время ограничивало инженеров в их способности управлять входящим и исходящим теплом независимо друг от друга.

В новой работе исследователи спроектировали теоретическое устройство, способное направлять тепловое излучение в разные стороны и запоминать эту настройку даже после отключения питания.

Устройство объединяет два материала, которые в обычных условиях не работают вместе. С помощью магнитного поля команда нарушила естественную симметрию в слое арсенида индия — материала, поглощающего и испускающего инфракрасный свет, — так что излучение, идущее в одном направлении, ведет себя иначе, чем излучение, идущее в противоположном. Поверх этого слоя расположена решетка из германий-сурьма-теллура (GST) — фазопеременного вещества, способного переключаться между двумя различными физическими структурами и оставаться в заданной структуре до тех пор, пока его не переключат снова намеренно. Как только GST зафиксирован в нужном положении, он закрепляет направленную разницу в излучении и удерживает ее без необходимости непрерывной подачи энергии — именно это позволяет «программировать» тепловое поведение устройства.

«Я был впечатлен элегантным сочетанием магнитооптической невзаимности с энергонезависимым фазопеременным материалом», — сказал в интервью Live Science Цзюцзюнь Ху, профессор материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, не принимавший участия в исследовании.

Это особенно важно, поскольку более ранние попытки добиться подобного направленного контроля обычно работали только при больших углах падения, что делало их непрактичными. «Особенно примечательно», что данное устройство функционирует, когда излучение приходит под углом всего в 3 градуса от прямой линии, что значительно облегчает его встраивание в реальные оптические системы, отметил Ху.

Исследователи сравнивают свою конструкцию с компьютерной памятью, поскольку она сохраняет запрограммированное состояние после отключения питания. Впрочем, уточняет Ху, устройство хранит не само тепло, а состояние материала: GST просто удерживает свою аморфную или кристаллическую структуру без подачи энергии, тем самым сохраняя запрограммированный отклик.

Пока устройство существует лишь на бумаге, оно не было ни построено, ни испытано. Тем не менее, Ху считает его реалистичным, поскольку оно опирается на хорошо изученные материалы и производственные методы. Правда, слой GST достаточно толст, и многократное переключение туда-сюда может оказаться затруднительным — хотя эту проблему способны решить другие материалы. Когда данный барьер будет преодолен, Ху ожидает, что первым практическим применением станет инфракрасное зондирование, где компактное, избирательное по направлению поглощение тепла окажется наиболее востребованным.

Источники: Qing, Y. M., Shen, Y., Wu, J., Murai, S., Dong, Z., & Okamoto, K. (2026). Reconfigurable giant nonreciprocity at Near‐Normal incidence via Phase‐Change Magneto‐Optical metagratings. Laser & Photonics Review. https://doi.org/10.1002/lpor.71438; комментарий профессора Цзюцзюня Ху (MIT) для Live Science.