Một nhóm nhà khoa học quốc tế từ Trung Quốc, Singapore và Nhật Bản vừa đề xuất phương pháp điều khiển nhiệt theo cách chưa từng có, vượt qua giới hạn của định luật bức xạ nhiệt Kirchhoff đã tồn tại hơn 160 năm. Nếu được hiện thực hóa, công nghệ này có thể mở ra thế hệ mới của cảm biến hồng ngoại, thiết bị năng lượng và bộ nhớ quang tử.
Phương pháp mới vượt qua định luật Kirchhoff
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Laser & Photonics Reviews vào cuối tháng 6 vừa qua. Theo định luật bức xạ nhiệt Kirchhoff, khả năng hấp thụ nhiệt của một bề mặt tại một góc và bước sóng nhất định phải bằng khả năng phát xạ nhiệt của chính bề mặt đó ở cùng góc và bước sóng. Nguyên lý này đã được chấp nhận trong hơn 160 năm và là nền tảng của nhiều công nghệ liên quan bức xạ nhiệt. Tuy nhiên, chính quy luật đó cũng khiến việc điều khiển nhiệt trở nên khó khăn: nếu một vật liệu hấp thụ nhiệt tốt, nó cũng sẽ phát nhiệt mạnh theo cách tương tự.
Nhóm nghiên cứu đã tìm ra hướng tiếp cận mới bằng cách tách biệt quá trình hấp thụ và phát xạ nhiệt, qua đó tạo ra "nhiệt có thể lập trình". Thay vì để vật liệu tuân theo nguyên lý vốn có, hệ thống mới sử dụng từ trường để điều khiển cách ánh sáng tương tác với vật liệu, giúp hướng phát xạ nhiệt có thể được điều chỉnh theo ý muốn và có thể bật hoặc tắt bất cứ lúc nào. Hệ thống còn có khả năng ghi nhớ trạng thái ngay cả khi nguồn điện bị ngắt, tương tự cơ chế lưu trữ của một số loại bộ nhớ điện tử hiện nay.
Cấu trúc metagrating và vật liệu chuyển pha
Trọng tâm của nghiên cứu là một cấu trúc mới có tên metagrating, kết hợp giữa vật liệu từ quang và vật liệu chuyển pha. Vật liệu từ quang thay đổi đặc tính khi chịu tác động của từ trường, còn vật liệu chuyển pha đóng vai trò như một bộ nhớ, giúp hệ thống lưu lại trạng thái sau khi quá trình điều khiển kết thúc. Vật liệu chuyển pha được sử dụng là Ge₂Sb₂Te₅ - hợp kim gồm germani, antimon và telluri, từng được ứng dụng trong các loại đĩa CD và DVD có thể ghi xóa nhiều lần.
Các nhà nghiên cứu còn thiết kế những cấu trúc cách tử siêu nhỏ trên bề mặt vật liệu. Các gờ siêu nhỏ này có tác dụng giữ lại và dẫn hướng ánh sáng, giúp việc điều khiển bức xạ nhiệt chính xác hơn so với các phương pháp trước đây. Thông qua việc thay đổi góc chiếu của ánh sáng, cường độ từ trường và kích thước của cấu trúc cách tử, nhóm nghiên cứu có thể "lập trình" khả năng hấp thụ nhiệt mà không buộc hệ thống phải phát xạ nhiệt theo đúng nguyên lý.
Triển vọng và thách thức
Theo nhà vật lý Shunsuke Murai tại Đại học Metropolitan Osaka (Nhật Bản): "Chúng tôi đã khiến bức xạ nhiệt hoạt động theo cách thông minh hơn. Việc hiện thực hóa những khả năng này có thể mở đường cho thế hệ mới của các bộ phát hồng ngoại hiệu suất cao, thiết bị năng lượng nhiệt, cảm biến và công nghệ bộ nhớ quang tử."
Dù vậy, công trình hiện mới dừng ở mức mô hình lý thuyết và mô phỏng toán học. Bước tiếp theo là chế tạo nguyên mẫu để kiểm chứng trong điều kiện thực tế. Các tác giả thừa nhận nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình hấp thụ nhiệt, trong khi phần phát xạ mới được giả định về mặt lý thuyết. Ngoài ra, việc hệ thống phải sử dụng từ trường bên ngoài để điều khiển vật liệu cũng là một thách thức cần giải quyết trước khi thương mại hóa.
Nhà vật lý Koichi Okamoto tại Đại học Metropolitan Osaka cho biết mục tiêu cuối cùng của nhóm là phát triển những thiết bị nhỏ gọn có thể chủ động điều khiển bức xạ nhiệt theo cách các mạch điện tử đang điều khiển dòng điện, mở ra hướng phát triển mới cho các hệ thống năng lượng và lưu trữ thông tin trong tương lai.
