Logran guiar el calor como si fuese electricidad

Unos científicos han logrado esquivar lo que parecía una regla inamovible de la física y hacer realidad un nuevo concepto: calor que puede dirigirse a voluntad e incluso “programarse”.

Normalmente, un material absorbe y emite calor de forma vinculada: una superficie que absorbe bien el calor en una determinada longitud de onda y dirección también lo emitirá de la misma manera. Esta relación fundamental, conocida como reciprocidad, limita nuestra capacidad para controlar de forma independiente la absorción y la emisión de calor.

Pero si la absorción y la emisión pudieran separarse, los ingenieros podrían diseñar dispositivos que absorbieran calor proveniente de una dirección y lo emitieran  hacia otra. Al “dirigir” la energía térmica, podrían crear tecnologías más eficientes de gestión del calor, conversión energética, detección infrarroja e incluso comunicación térmica.

Unos científicos han conseguido ahora crear un material “milagroso” capaz de conseguir todos esos objetivos.

El logro es obra de un equipo internacional integrado, entre otros, por Koichi Okamoto, Shunsuke Murai y Ye Ming Qing, de la Universidad Metropolitana de Osaka en Japón.

Para crear un material que se comportase de una manera para la radiación entrante y de otra manera para la saliente, el equipo recurrió a los materiales magnetoópticos. En estos materiales, la interacción con la luz se puede alterar mediante un campo magnético.

Al combinar un material magnetoóptico con un material especial de cambio de fase llamado GST, el equipo creó un dispositivo que no solo puede controlar la dirección de la radiación térmica, sino también activar y desactivar este efecto y recordar su estado incluso cuando se interrumpe el suministro energético, lo que permite programar el calor como si fueran datos en un microchip.

“Logramos que la radiación térmica se comportara de una manera ‘inteligente’”, resume Murai.

En este ejemplo, el calor se absorbe desde la derecha, calentando la estructura, y se irradia hacia la izquierda, enfriándola. (Imagen: Osaka Metropolitan University)

Okamoto y sus colegas constataron que su dispositivo presentaba diferentes respuestas según la dirección de la luz, incluso cuando esta incidía casi de frente. Esto representó una gran mejora en comparación con los dispositivos anteriores, que requerían que la luz incidiera en ángulos muy grandes, en los que la absorción y la eficiencia de la radiación disminuían en comparación con la incidencia normal. Además, el efecto de “encendido y apagado” de los dispositivos anteriores era muy variable y la memoria se perdía al interrumpir el suministro energético, lo que limitaba la reconfiguración.

“Nuestro objetivo final es desarrollar dispositivos compactos que puedan controlar activamente la radiación térmica, de forma similar a como los circuitos electrónicos controlan el flujo de electricidad”, adelanta Okamoto. “Estos dispositivos podrían utilizarse en sensores infrarrojos más inteligentes, sistemas de gestión de energía más eficientes y nuevos tipos de memoria fotónica que almacenarían información mediante luz y calor en vez de mediante cargas eléctricas”.

Okamoto y sus colegas exponen los detalles técnicos de su logro en la revista académica Laser & Photonics Reviews, bajo el título “Reconfigurable Giant Nonreciprocity at Near‐Normal Incidence via Phase‐Change Magneto‐Optical Metagratings”. (Fuente: NCYT de Amazings)