Si un material absorbe luz, se calentará. Ese calor tiene que ir a alguna parte, y la capacidad de controlar dónde y cuánto calor se emite puede proteger u ocultar dispositivos como los satélites. Un equipo internacional de investigadores, incluidos los de Penn State, ha desarrollado una nueva forma de controlar esta emisión térmica, que, según dicen, tiene implicaciones prometedoras para la gestión térmica y las tecnologías de camuflaje térmico.
El equipo publicó su trabajo en la edición impresa del 7 de junio. ciencia.
Dirigido por investigadores del Instituto Nacional de Grafeno de la Universidad de Manchester en Inglaterra y la Facultad de Ingeniería de Penn State en Estados Unidos, junto con expertos de la Universidad Koç de Turquía y la Universidad Tecnológica de Viena en Austria, el equipo demostró cómo crear una interfaz. . Que hizo combina dos superficies con diferentes propiedades geométricas para localizar la emisión térmica de ambas superficies, lo que permite un emisor térmico “perfecto”. Esto significa que la plataforma diseñada puede emitir radiación térmica desde regiones de emisión específicas existentes con una capacidad de emisión unitaria, o que la plataforma emite la radiación térmica más fuerte posible a esa temperatura.
“Hemos demostrado una nueva clase de dispositivos térmicos utilizando conceptos de la topología -una rama de las matemáticas que estudia las propiedades de los objetos geométricos- y de la fotónica no hermitiana, que se ocupa de la luz y su interacción con la materia. Es un área floreciente de “La investigación estudia las pérdidas, la ganancia óptica y la presencia de ciertas simetrías”, dijo el coautor Koskin Kokabas, profesor de materiales de dispositivos 2D en la Universidad de Manchester.
El equipo dijo que el trabajo podría hacer avanzar las aplicaciones de fotónica térmica para optimizar, controlar y detectar emisiones térmicas. Una aplicación de este trabajo podría ser en satélites, dijo el coautor Sahin Ozdemir, profesor de ingeniería y mecánica en Penn State. Ante una exposición significativa al calor y la luz, los satélites equipados con interfaces pueden emitir radiación absorbida con emisiones unitarias a lo largo de un área especialmente designada que los investigadores diseñaron para que fuera increíblemente estrecha y en cualquier forma que se considere necesaria.
Sin embargo, según Ozdemir, llegar a este punto no fue sencillo. Parte del problema, explicó, es limitar el absorbente térmico perfecto a la interfaz mientras el resto de las estructuras que componen la plataforma permanecen “frías”, es decir, las estructuras no absorben ni emiten energía.
“Construir un emisor absorbente tan perfecto ha sido un gran desafío”, dijo Ozdemir.
Es un poco más fácil hacer un emisor-absorbente a la frecuencia deseada, a diferencia de un emisor-absorbente perfecto que puede absorber y emitir cualquier frecuencia, atrapando la luz dentro de una cavidad óptica, dijeron los investigadores. La cavidad óptica consta de dos espejos, el primero de los cuales refleja la luz sólo parcialmente, mientras que el segundo la refleja completamente. Esta configuración permite lo que los investigadores llaman una “condición de acoplamiento crítico”, donde la luz entrante es parcialmente reflejada por el primer espejo y la luz reflejada atrapada entre los dos espejos se anula completamente entre sí. Suprime por completo la reflexión, por lo que el haz de luz queda atrapado en el sistema, absorbido por completo y luego emitido como radiación térmica.
“Sin embargo, adoptamos un enfoque diferente en este trabajo, combinando dos estructuras con diferentes topologías, lo que significa que absorben y emiten radiación de manera diferente”, dijo Ozdemir. Las estructuras no se encuentran en puntos de acoplamiento críticos, por lo que no se consideran un absorbente-emisor perfecto, pero su interfaz exhibe una absorción y emisión perfectas”.
Para lograr tal interfaz, los investigadores crearon una cavidad con una gruesa capa de oro que refleja completamente la luz entrante y una delgada capa de platino que puede reflejar parcialmente la luz entrante. La capa de platino, que consta de dos espesores separados cosidos entre sí, también actúa como absorbente térmico de banda ancha. Entre los dos espejos, los investigadores colocaron un dieléctrico transparente, o material que aísla contra la conductividad eléctrica, llamado parileno-C.
Los investigadores pueden ajustar el grosor de la capa de platino según sea necesario para inducir un estado crítico de acoplamiento en la interfaz soldada y absorber completamente la luz entrante. También pueden alejar el sistema del acoplamiento crítico a un acoplamiento subcrítico o supercrítico, donde es posible que no se produzcan una absorción y emisión perfectas.
“Al reducir el espesor de la capa de platino a un espesor crítico de aproximadamente 2,3 nanómetros, llevamos la cavidad a un estado crítico en el que el sistema exhibe una absorción perfecta y, en consecuencia, una emisión perfecta”, dijo el primer autor, M. Ergoktas, investigador asociado en ingeniería de materiales de la Universidad de Manchester. “Simplemente uniendo dos capas de platino de espesor menor y mayor que el espesor crítico en una sola capa dieléctrica, podemos crear una interfaz topológica de dos cavidades donde la absorción y emisión perfectas son limitadas. El acoplamiento no está en el estado crítico, pero eso es la interfaz misma.”
Según el coautor Stefan Rutter, investigador de la Universidad Tecnológica de Viena (Austria), el desarrollo desafía la comprensión tradicional de las emisiones térmicas en este campo.
“Todo lo caliente emite calor en forma de luz aleatoria y errática”, dijo Rutter. “Tradicionalmente se ha creído que la radiación térmica no puede tener propiedades topológicas debido a su naturaleza heterogénea”.
Sin embargo, este trabajo demostró que la emisión térmica se puede diseñar para propiedades topológicas, que pueden crear estados de luz fuertemente confinados que se emiten sólo desde la interfaz topológica entre dos superficies. Los investigadores dijeron que podían diseñar los parámetros de la interfaz en cualquier forma, desde una línea estrecha hasta algo más complejo, como el diagrama del Reino Unido.
Según Kokabas, su enfoque para crear sistemas topológicos para controlar la radiación es fácilmente accesible para científicos e ingenieros.
“Puede ser tan simple como crear una película dividida en dos regiones con diferentes espesores en la que un lado cumple el acoplamiento subcrítico y el otro está en el sistema de acoplamiento crítico, dividiendo el sistema en dos clases topológicas diferentes”. “Sí”, Kokabas. dicho.
Según el coautor Ali Kesbas, académico postdoctoral en Penn State, la interfaz de fieltro exhibe una conductividad térmica perfecta, está protegida por una topología reflectante y “demuestra robustez contra distorsiones y defectos locales”. El equipo utilizó experimentos y simulaciones numéricas para confirmar las propiedades topológicas del sistema, así como física no hermética para identificar cómo funciona el sistema.
Los contribuyentes incluyen a Sina Soleimani, quien recibió un doctorado en ciencias de la ingeniería y mecánica de Penn State en 2021, cuando se completaron las primeras fases de este trabajo; Konstantinos Despotelis, Gokhan Bakan y Alessandro Principi, Universidad de Manchester; e Iskan Kocabas, Universidad de Koc, Turquía.
Este trabajo fue apoyado por una subvención de consolidación del Consejo Europeo de Investigación, un premio de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea para sistemas programables con dinámica cuántica no hermitiana y un premio de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
