La ley de Kirchhoff de la radiación térmica establece que un material capaz de absorber energía en un determinado ángulo y longitud de onda debe emitirla en condiciones equivalentes. Formulada hace aproximadamente 160 años, esa correspondencia limitó durante décadas el desarrollo de dispositivos capaces de gestionar el calor de forma selectiva, sin que la absorción y la emisión quedaran atadas entre sí.
Un equipo internacional con participación de la Universidad Metropolitana de Osaka diseñó un sistema capaz de sortear esa reciprocidad mediante materiales especiales, campos magnéticos y estructuras microscópicas capaces de dirigir la interacción con la luz.
La metarrejilla que rompe la reciprocidad térmica
El trabajo, publicado en la revista Laser & Photonics Reviews, describe un dispositivo al que sus autores llamaron metagrating o metarrejilla. Su diseño combina un material magnetoóptico, cuyo comportamiento cambia al aplicarle un campo magnético, con un material de cambio de fase que funciona como una memoria.
A esos dos componentes se suman pequeñas crestas cuidadosamente distribuidas sobre la superficie, concebidas para capturar, conducir y manipular la radiación incidente con una precisión superior a la que ofrecían los sistemas anteriores, que solo lograban efectos similares en ángulos extremos de incidencia.
Una memoria hecha del mismo material que los CD regrabables
La pieza encargada de conservar la configuración del sistema es una aleación de germanio, antimonio y telurio conocida como Ge2Sb2Te5. Este compuesto puede alternar entre un estado amorfo, de estructura desordenada, y otro cristalino, mucho más organizado, y ya se usa en discos compactos y DVD regrabables.
En este dispositivo, esa misma propiedad permitiría que el sistema recordara su configuración incluso después de apagar la alimentación eléctrica, algo especialmente relevante para el desarrollo de futuras tecnologías fotónicas que necesiten mantener un estado programado sin consumir energía de forma constante.
Cómo se programaría la absorción térmica
Según los cálculos del equipo, la absorción térmica podría programarse modificando el ángulo de incidencia de la luz, la intensidad del campo magnético y las dimensiones físicas de la rejilla. Eso ofrecería un control ajustable sobre distintas longitudes de onda, sin necesidad de que la emisión resultante sea idéntica y recíproca a la absorción original.
Shunsuke Murai, físico de la Universidad Metropolitana de Osaka y uno de los autores del trabajo, resumió el logro señalando que consiguieron que la radiación térmica se comportara de una forma más inteligente. Koichi Okamoto, quien lideró la colaboración internacional, planteó el objetivo final del proyecto: desarrollar dispositivos compactos capaces de controlar activamente la radiación térmica, de forma similar a como los circuitos electrónicos controlan el flujo de electricidad.
De la teoría al prototipo: qué falta todavía
El avance, sin embargo, todavía no dio lugar a un dispositivo físico. Los resultados proceden de modelos teóricos y simulaciones matemáticas, por lo que el siguiente paso del equipo será fabricar un prototipo funcional y comprobar si responde tal como indican los cálculos.
El estudio, además, se concentra principalmente en la absorción, mientras que la emisión se aborda de manera más limitada por ahora. Pese a esas cautelas, el trabajo establece un marco concreto para controlar el calor a escala de chip, con aplicaciones potenciales en emisores infrarrojos más eficientes, sensores avanzados, sistemas energéticos y memorias fotónicas capaces de almacenar información mediante luz y calor en lugar de cargas eléctricas.
