Les chercheurs ont conçu un matériau capable de « programmer » la manière dont il libère de la chaleur, ouvrant ainsi la voie à des systèmes énergétiques plus efficaces et, potentiellement, à des dispositifs stockant des informations en utilisant la chaleur plutôt que l’électricité.
La conception, décrite dans une étude du 25 juin dans la revue Avis sur les lasers et photoniquescontourne une règle de physique vieille de près de 160 ans reliant la manière dont les matériaux absorbent et émettent de la chaleur. Dans des conditions normales, un matériau capable d’absorber la chaleur dans une direction est tout aussi efficace pour émettre de la chaleur dans cette direction. Cette règle de réciprocité, décrit pour la première fois par le physicien Gustav Kirchhoff au 19ème siècle, a limité la capacité des ingénieurs à contrôler la chaleur entrante indépendamment de la chaleur sortante.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont conçu un dispositif théorique capable de diriger le rayonnement thermique dans différentes directions et de mémoriser ce réglage même après la coupure de courant.
Le nouvel appareil associe deux matériaux qui ne fonctionnent normalement pas ensemble. À l’aide d’un champ magnétique, l’équipe a brisé la symétrie naturelle d’une couche d’arséniure d’indium – un matériau qui absorbe et émet la lumière infrarouge – de sorte que le rayonnement se propageant dans une direction se comporte différemment du rayonnement se propageant dans l’autre sens.
Au-dessus de cette couche se trouve un réseau en germanium-antimoine-tellure (GST) – une substance à changement de phase qui peut basculer entre deux structures physiques distinctes et rester dans la structure sur laquelle elle est réglée jusqu’à ce qu’elle soit délibérément commutée à nouveau. Une fois que le GST est mis en place, il verrouille la différence directionnelle du rayonnement et la maintient là sans avoir besoin d’une alimentation continue, ce qui permet de « programmer » le comportement de direction thermique de l’appareil.
« J’ai été impressionné par la combinaison élégante de la non-réciprocité magnéto-optique avec un matériau à changement de phase non volatil », Juejun Huun professeur de science et d’ingénierie des matériaux au MIT qui n’a pas participé à l’étude, a déclaré à Live Science dans un e-mail.
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C’est important car les tentatives antérieures de ce type de contrôle directionnel ne fonctionnaient généralement qu’à des angles prononcés, ce qui les rendait peu pratiques. Il est « particulièrement remarquable » que cet appareil fonctionne lorsque le rayonnement arrive à seulement 3 degrés d’une ligne autrement droite, ce qui facilite grandement son intégration dans les systèmes optiques du monde réel, a déclaré Hu.
Les chercheurs ont comparé leur conception à la mémoire d’un ordinateur, car elle conserve son état programmé après une coupure de courant. Cependant, l’appareil stocke un état matériel plutôt que de se chauffer lui-même, a déclaré Hu à Live Science. GST conserve simplement sa structure amorphe ou cristalline sans alimentation, ce qui préserve la réponse programmée.
Pour l’instant, le dispositif n’existe que sur papier ; il n’a pas été construit ou testé. Néanmoins, Hu pense que c’est réaliste, car cela s’appuie sur des matériaux et des méthodes de fabrication bien établis. Cependant, la couche de GST est suffisamment épaisse pour qu’il soit difficile de la changer d’avant en arrière à plusieurs reprises, bien que d’autres matériaux pourraient résoudre ce problème. Une fois cet obstacle surmonté, Hu s’attend à ce que la première utilisation dans le monde réel soit la détection infrarouge, où l’absorption thermique compacte et sélective en direction est la plus directement utile.
