En la mayoría de los materiales, la forma en que se absorbe el calor y la forma en que se libera son inseparables. Si una superficie absorbe eficientemente calor de una dirección o longitud de onda particular, emite calor de la misma manera. Este principio establecido desde hace mucho tiempo, conocido como reciprocidad, dificulta que los científicos controlen de forma independiente cómo la energía térmica entra y sale de un material.
Sin embargo, si estos dos procesos se pueden separar, los ingenieros podrán dirigir el calor con mayor precisión. Un material puede absorber energía térmica en una dirección mientras la libera en otra dirección, lo que potencialmente mejora la gestión térmica, la conversión de energía, la detección infrarroja y las tecnologías de comunicación térmica.
Un material que puede controlar el calor
Para superar esta limitación, un equipo internacional dirigido por el profesor Koichi Okamoto y el Dr. Shunsuke Murai de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad Metropolitana de Osaka desarrolló un nuevo tipo de dispositivo que utiliza materiales magnetoópticos. Estos materiales cambian la forma en que interactúan con la luz cuando se exponen a un campo magnético, cambiando así su comportamiento térmico.
Los investigadores combinaron un elemento magnetoóptico con un elemento de cambio de fase conocido como GST. El dispositivo resultante puede controlar la dirección en la que se irradia el calor, activar o desactivar ese comportamiento y mantener su configuración incluso después de apagar la energía. De hecho, esto permite programar el calor de una manera similar a cómo se almacenan y controlan los datos dentro de un chip de computadora.
“Tratamos la radiación térmica de forma ‘inteligente'”, explicó el Dr. Murai. “Lograr estas capacidades en un modelo funcional podría permitir una nueva generación de emisores infrarrojos eficientes, dispositivos de energía térmica, sensores y tecnologías de memoria fotónica”.
Mejor rendimiento que diseños anteriores
El equipo descubrió que el dispositivo respondía de manera diferente según la dirección de donde provenía la luz, incluso cuando la luz estaba casi encendida. Las tecnologías anteriores normalmente requerían que la luz incidiera sobre el material en un ángulo muy pronunciado para lograr un efecto similar, reduciendo tanto la absorción como la eficiencia de la radiación en comparación con la incidencia normal.
El nuevo diseño también solucionó otras deficiencias del sistema anterior. Los dispositivos anteriores producían cambios inconsistentes entre sus estados “encendido” y “apagado” y perdían su configuración almacenada después de que se cortaba la energía. Por el contrario, el nuevo componente puede cambiar de estado de manera confiable y al mismo tiempo preservar su memoria, lo que lo hace más práctico para aplicaciones futuras.
Hacia dispositivos térmicos programables
Los investigadores ven la tecnología como un paso importante hacia dispositivos que gestionen el calor con el mismo nivel de precisión que utilizan los circuitos electrónicos para controlar la electricidad.
“Nuestro objetivo final es crear dispositivos compactos que puedan controlar activamente la radiación de calor, de forma muy parecida a como los circuitos electrónicos controlan el flujo de electricidad”, dijo el profesor Okamoto. “Estos dispositivos podrían utilizarse en sensores infrarrojos más inteligentes, sistemas energéticos más eficientes y nuevos tipos de memoria fotónica que almacenen información utilizando luz y calor en lugar de cargas eléctricas”.
