کنترل گرما مانند داده با ماده ای حافظه دار و نوین

آن‌ها کاری کردند که گرما مانند اطلاعات رفتار کند. در آزمایشگاهی در دانشگاه متروپولیتن اوساکا، پژوهشگران تابش حرارتی را وادار کردند از مجموعه‌ای تازه از قواعد پیروی کند، قواعدی که به مهندسان امکان می‌دهد گرما را همان‌طور هدایت و ذخیره کنند که داده‌ها را در مدارهای الکترونیکی مسیریابی و نگهداری می‌کنیم.

این ترفند بر دو جزء کاملا متفاوت تکیه دارد: یک لایه مغناطیسی نوری که در حضور میدان مغناطیسی، شیوه برهم‌کنش خود با نور را تغییر می‌دهد، و یک آلیاژ تغییر فاز موسوم به جی‌اس‌تی که می‌تواند میان حالت‌های مختلف جابه‌جا شود و این تغییر را بدون نیاز به برق به خاطر بسپارد. ترکیب این دو، سطحی می‌سازد که گسیل حرارتی آن به جهت وابسته است و رفتارش می‌تواند تغییر کند و حفظ شود.

چرا این موضوع اهمیت دارد؟ چون گرما معمولا از اصل تقارن متقابل پیروی می‌کند: اگر سطحی تابش فروسرخ را از یک جهت جذب کند، معمولا تمایل دارد آن را به همان شکل گسیل کند. این وضعیت بازتاب‌دهنده نوعی تقارن سرسخت در فیزیک است که مدت‌ها کنترل حرارت را محدود کرده بود. اگر این تقارن شکسته شود، می‌توان سطحی ساخت که گرما را از یک جهت جذب کند و در جهتی دیگر با اولویت بیشتری منتشر سازد. به بیان دیگر، می‌توان انرژی حرارتی را مسیریابی کرد.

آزمایش‌های این دستگاه پدیده‌ای کم‌سابقه را نشان داد. این ساختار حتی زمانی که نور فروسرخ ورودی تقریبا به‌صورت مستقیم به آن می‌تابید، واکنشی متفاوت نشان می‌داد؛ ناحیه‌ای که طراحی‌های نامتقارن قدیمی‌تر در آن ناکام می‌ماندند یا بازدهی پایینی پیدا می‌کردند. نتیجه، کنترل عملی‌تر جریان حرارتی در زاویه‌هایی است که دستگاه‌های واقعی معمولا در آن‌ها کار می‌کنند.

یک مزیت کاربردی دیگر هم وجود دارد: لایه جی‌اس‌تی هر حالتی را که به آن تغییر داده شود، بدون نیاز به منبع تغذیه پیوسته حفظ می‌کند. ماده را به حالت جذب‌کننده ببرید. برق را قطع کنید. حالت باقی می‌ماند. همین ویژگی شبیه حافظه، این ساختار را به معنای واقعی کلمه برنامه‌پذیر می‌کند.

گرما می‌تواند مانند داده برنامه‌ریزی و ذخیره شود.

حسگرهای فروسرخی را تصور کنید که به‌طور انتخابی فقط از جهت‌های مشخصی سیگنال دریافت می‌کنند، یا برداشت‌کننده‌های انرژی که گرمای اتلافی را به جایی هدایت می‌کنند که بتوان از آن بهره گرفت. همچنین می‌توان به حافظه فوتونیکی اندیشید که به جای بارهای الکتریکی در ترانزیستور، از نور و گسیل حرارتی به‌عنوان حامل اطلاعات استفاده می‌کند. گروه پژوهشی پشت این دستاورد، به سرپرستی پروفسور کویچی اوکاموتو و دکتر شونسوکه مورای، به این امکان‌ها و کاربردهای دیگر اشاره می‌کند.

البته این رویکرد هنوز با چالش‌هایی روبه‌رو است: یکپارچه‌سازی چنین لایه‌هایی در دستگاه‌های کوچک و قابل تولید، مقیاس‌پذیر کردن کنترل میدان‌های مغناطیسی، و بهبود عملکرد در گستره وسیع‌تری از طول موج‌ها و دماها. با این حال، این نمایش آزمایشگاهی یک جهش مفهومی مهم به شمار می‌آید. این دستاورد، گرما را از یک محصول جانبی منفعل به سیگنالی فعال تبدیل می‌کند که می‌توان آن را هدایت، روشن و خاموش، و ذخیره کرد.

همین ایده، اینکه شاید روزی گرما مانند بسته‌های داده در شبکه‌ای از سطوح بسیار کوچک مسیریابی شود، تصور ما از طراحی حرارتی را تغییر می‌دهد. همچنین جعبه‌ابزاری تازه در اختیار مهندسان می‌گذارد که می‌خواهند نور فروسرخ را در خدمت اهداف انسانی به کار بگیرند، نه اینکه خود تابع محدودیت‌های آن باشند.