Universidade Metropolitana de Osaka desenvolve dispositivo de controle térmico programável com fator de não reciprocidade de 0,9 em ângulo de incidência de 3 graus

De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores da Universidade Metropolitana de Osaka (Osaka Metropolitan University) desenvolveram um dispositivo de controle térmico programável que não apenas controla a localização da radiação térmica, mas também lembra seu estado de configuração após a interrupção da energia. Este avanço promete fornecer soluções de gerenciamento térmico mais inteligentes para chips de alto desempenho, fotônica de silício, sensores infravermelhos e sistemas de coleta de energia. A pesquisa, publicada na revista Laser & Photonics Reviews, resolve dois grandes desafios que há muito impedem a aplicação prática de dispositivos de controle térmico não recíprocos.

O dispositivo combina um material magneto-óptico (um material cujas propriedades ópticas mudam sob um campo magnético) com o material de mudança de fase germânio-antimônio-telúrio (GST), permitindo controlar independentemente como a superfície absorve e emite radiação infravermelha. Ao contrário de projetos anteriores, o dispositivo opera quase em condições de incidência vertical e não requer energia contínua para manter seu estado programado. Materiais tradicionais seguem a lei de Kirchhoff da radiação térmica, onde a absorção e a emissão de uma superfície em um comprimento de onda e direção específicos são iguais, limitando a capacidade dos engenheiros de controlar precisamente o calor. Dispositivos capazes de regular independentemente a absorção e a emissão podem melhorar tecnologias optoeletrônicas como resfriamento radiativo, sistemas fotovoltaicos térmicos, sensoriamento infravermelho e comunicação térmica.

Os pesquisadores exploraram vários métodos para alcançar isso quebrando a reciprocidade de Lorentz, com a maioria das abordagens dependendo de materiais magneto-ópticos, semimetais de Weyl magnéticos ou metassuperfícies moduladas ativamente. No entanto, esses projetos geralmente enfrentam dois gargalos principais: ou exigem que a luz incida na superfície em ângulos extremamente inclinados para produzir um comportamento direcional forte, ou o projeto é volátil – seu comportamento desaparece quando o campo magnético, sinal elétrico ou fonte de calor que os controla é removido. A equipe da Universidade Metropolitana de Osaka superou essas limitações combinando dois materiais com funções complementares. O primeiro é o arsenieto de índio (InAs), um semicondutor magneto-óptico cuja interação com a luz infravermelha muda sob um campo magnético, introduzindo assimetria direcional. O segundo é o GST, um material de mudança de fase que pode alternar reversivelmente entre estados amorfo e cristalino, com suas propriedades ópticas mudando drasticamente, e que mantém o estado programado mesmo após a interrupção da energia, independentemente de qual estado foi gravado.

Os pesquisadores padronizaram o GST para formar uma grade microscópica acima da camada de InAs, criando o que é chamado de metagrade magneto-óptica. O InAs fornece controle direcional, enquanto a camada de GST atua como uma chave não volátil. A aplicação de um campo magnético ajusta como a radiação infravermelha interage com a estrutura, enquanto a mudança da fase do GST altera permanentemente esse comportamento. O protótipo demonstrou um fator de não reciprocidade próximo de 0,9, operando em um ângulo de incidência de apenas 3 graus, muito menor do que os ângulos íngremes normalmente exigidos por projetos anteriores. O sistema também suporta sintonia contínua alterando o campo magnético ou o ângulo de incidência, bem como comutação digital através da mudança de fase do GST. A equipe analisou as razões pelas quais o efeito de não reciprocidade enfraquece quando o estado do GST muda, apontando que é uma combinação da redistribuição do campo de luz e do aumento do amortecimento, e não apenas devido à perda por absorção.

Esta tecnologia ainda está em um estágio inicial de demonstração de pesquisa. À medida que os processadores integram mais transistores, chips e componentes fotônicos em pacotes compactos, a capacidade de radiação térmica programável pode ser valiosa em hardware de computação, por exemplo, para extrair calor de pontos críticos, reduzir a interferência térmica entre chips adjacentes ou estabilizar dispositivos fotônicos de silício cujas propriedades ópticas variam com a temperatura. Os pesquisadores também preveem aplicações em resfriamento radiativo, conversão de energia fotovoltaica térmica, emissores infravermelhos, sistemas de comunicação térmica e tecnologia de memória fotônica. Atualmente, este trabalho ainda é uma demonstração de laboratório, e muitos desafios de engenharia precisam ser superados antes da implantação comercial.