La ley de radiación térmica de Kirchhoff ha sido un principio fundamental de la física durante más de un siglo y medio. Esta ley establece que cualquier superficie que absorba calor en un ángulo y longitud de onda específicos debe también emitir calor exactamente en las mismas condiciones. Aunque se han encontrado soluciones anteriormente para contrarrestar esta limitación, todas ellas han resultado ineficientes y volátiles, lo que ha dificultado el control del calor de la manera que los científicos desearían.
El nuevo enfoque desarrollado por investigadores de la Universidad Metropolitana de Osaka en Japón y colaboradores internacionales se basa en la manipulación de la luz mediante campos magnéticos. "Hicimos que la radiación de calor se comportara de una manera más inteligente", explica el físico Shunsuke Murai, de la Universidad Metropolitana de Osaka. El sistema permite controlar la dirección de la emisión de calor, activar y desactivar la manipulación, e incluso mantener el estado del dispositivo mientras está apagado.
El dispositivo central de esta innovación se denomina metagrating, una estructura que combina dos componentes clave. El primero es un material magneto-óptico que ajusta el comportamiento del calor absorbido cuando es golpeado por un campo magnético. El segundo es un material de cambio de fase que actúa como un banco de memoria, capaz de cambiar entre estados amorfos (desordenados) y cristalinos (ordenados). Este material de cambio de fase es Ge2Sb2Te5, una aleación de germanio, antimonio y telurio que también se utiliza en discos compactos y DVD reescribibles.
La estructura del grating es fundamental para el funcionamiento del dispositivo. Consiste en pequeñas crestas cuidadosamente diseñadas que atrapan y canalizan la luz entrante, haciéndola más manejable que en sistemas anteriores y más viable como solución práctica. Al ajustar el ángulo de la luz incidente, la intensidad del campo magnético y las dimensiones físicas del grating, los investigadores pueden "programar" el comportamiento deseado de absorción de calor sin las mismas emisiones de calor recíprocas.
"Al simplemente ajustar el ángulo incidente, la longitud de onda operativa del absorbedor no recíproco puede sintonizarse continuamente en un amplio rango espectral", escriben los investigadores en su trabajo publicado. Esta flexibilidad y versatilidad significan que el dispositivo programable tendría un amplio rango de aplicaciones potenciales.
Según el físico Koichi Okamoto, también de la Universidad Metropolitana de Osaka, "nuestro objetivo final es desarrollar dispositivos compactos que puedan controlar activamente la radiación de calor, de la misma manera que los circuitos electrónicos controlan el flujo de electricidad. Tales dispositivos podrían utilizarse en sensores infrarrojos más inteligentes, sistemas de energía más eficientes y nuevos tipos de memoria fotónica que almacenen información utilizando luz y calor en lugar de cargas eléctricas".
Los investigadores señalan que "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". En su artículo publicado, describen el desacoplamiento de la emisión de calor de la absorción de calor como una "frontera crítica en la fotónica térmica moderna", aunque es importante notar que la investigación se enfocó principalmente en la absorción, mientras que la parte de emisión fue en gran medida asumida en lugar de explorada en detalle.
Es importante destacar que el sistema requiere un campo magnético externo para controlar las propiedades del dispositivo y su material. Aunque esto añade cierta complejidad, los investigadores no ven razón por la que esto debería presentar un obstáculo significativo para el desarrollo futuro. "Este trabajo establece un marco físico riguroso para el control térmico no recíproco activo, allanando el camino para la fotónica térmica de próxima generación a escala de chip", escriben los investigadores en su artículo publicado.
Actualmente, el trabajo se encuentra en la etapa teórica, basado en física bien calculada y modelado matemático. La siguiente fase crucial es construir un prototipo funcional que demuestre estas capacidades en la práctica. Los hallazgos tienen implicaciones potenciales para una vasta cantidad de sistemas y tecnologías que utilizan luz y calor, desde dispositivos de almacenamiento de energía hasta sistemas de sensores avanzados. El trabajo representa otro recordatorio de que las leyes de la física están ahí para ser desafiadas cuando se comprenden lo suficientemente bien.