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Os pesquisadores desenvolveram um novo método para controlar a emissão térmica em uma interface projetada. Retratada aqui como uma linha vermelha ondulada, a interface pode ser projetada em qualquer formato. Crédito: Fornecido por Coskun Kocabas/Universidade de Manchester e Sahin Ozdemir/Penn State
Os pesquisadores afirmam que interfaces cuidadosamente elaboradas fornecem abordagens de design inovadoras que vão além dos materiais tradicionais, com aplicações potenciais em óptica infravermelha, detecção e outras áreas.
Os pesquisadores desenvolveram um método para controlar com precisão as emissões térmicas, potencialmente transformando o gerenciamento térmico e as tecnologias de camuflagem. Esta abordagem inovadora, usando topologia e fotônica não-Hermitiana, mostra-se promissora para aplicações em tecnologia de satélite e além.
Se um material absorver luz, ele aquecerá. Esse calor deve ir para algum lugar, e a capacidade de controlar onde e quanto calor é emitido pode proteger ou até mesmo ocultar dispositivos como satélites. Pesquisadores de uma equipe internacional, incluindo membros da Penn State, desenvolveram uma nova técnica para regular essa liberação de calor. Eles acreditam que seu método tem um potencial significativo para o avanço das tecnologias de gerenciamento térmico e camuflagem térmica.
A equipe publicou recentemente suas descobertas em Ciência.
Liderada por pesquisadores do Instituto Nacional de Grafeno da Universidade de Manchester, na Inglaterra, e da Penn State College of Engineering, nos Estados Unidos, com especialistas da Universidade Koc, na Turquia, e da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, a equipe demonstrou uma maneira de construir uma interface que une duas superfícies com propriedades geométricas diferentes para localizar as emissões térmicas de ambas as superfícies, permitindo um emissor térmico “perfeito”. Isso significa que a plataforma projetada pode emitir luz térmica de áreas de emissão designadas e contidas com emissividade unitária, ou que a plataforma emite a radiação térmica mais forte possível naquela temperatura.
“Demonstramos uma nova classe de dispositivos térmicos usando conceitos de topologia – um ramo da matemática que estuda propriedades de objetos geométricos – e de fotônica não-Hermitiana, que é uma área florescente de pesquisa que estuda a luz e sua interação com a matéria na presença de perdas, ganho óptico e certas simetrias”, disse o autor correspondente Coskun Kocabas, professor de materiais de dispositivos 2D na Universidade de Manchester.
Conquistas e Desafios
A equipe disse que o trabalho pode avançar nas aplicações termofotônicas para melhor gerar, controlar e detectar a emissão térmica. Uma aplicação deste trabalho poderia ser em satélites, disse o co-autor Sahin Ozdemir, professor de engenharia e mecânica na Penn State. Diante de uma exposição significativa ao calor e à luz, os satélites equipados com a interface poderiam emitir a radiação absorvida com emissividade unitária ao longo de uma área especificamente designada, projetada pelos pesquisadores para ser incrivelmente estreita e em qualquer formato considerado necessário.
Chegar a este ponto, porém, não foi simples, segundo Ozdemir. Ele explicou que parte do problema é limitar o emissor-absorvedor térmico perfeito à interface, enquanto o resto das estruturas que formam a plataforma permanecem “frias”, o que significa que essas estruturas não absorvem ou emitem qualquer forma de energia.
Os pesquisadores podem alterar a espessura da camada de platina, mostrada aqui como um círculo prateado, com um lado mais grosso que o outro. Ao alterar a espessura, os dois lados são levados a um ponto de “acoplamento crítico”, onde a luz absorvida por qualquer um dos lados pode ser emitida em conjunto no ponto de encontro. Esse ponto de encontro libera a radiação térmica na forma que os pesquisadores determinarem. Aqui, é mostrado como uma linha vermelha fina. Crédito: Fornecido por Coskun Kocabas/Universidade de Manchester e Sahin Ozdemir/Penn State
“Construir um absorvedor-emissor tão perfeito tem sido um grande desafio”, disse Ozdemir.
É um pouco mais fácil construir um absorvedor-emissor na frequência desejada – em oposição a um absorvedor-emissor perfeito que pode absorver e emitir qualquer frequência – prendendo a luz dentro de uma cavidade óptica, disseram os pesquisadores. A cavidade óptica compreende dois espelhos, o primeiro dos quais reflete a luz apenas parcialmente, enquanto o segundo reflete completamente a luz. Esta configuração permite o que os investigadores chamam de “condição crítica de acoplamento”, onde a luz que entra parcialmente refletida pelo primeiro espelho e a luz refletida presa entre os dois espelhos se cancelam exatamente. Isto suprime completamente a reflexão, fazendo com que o feixe de luz fique preso no sistema, sendo perfeitamente absorvido e depois emitido na forma de radiação térmica.
Design de interface inovador
“No entanto, adotamos uma abordagem diferente neste trabalho, unindo duas estruturas com topologias diferentes, o que significa que elas absorvem e emitem radiação de maneira diferente”, disse Ozdemir. “As estruturas não estão no ponto crítico de acoplamento, portanto não são consideradas um absorvedor-emissor perfeito – mas sua interface apresenta absorção e emissão perfeitas.”
Para conseguir tal interface, os pesquisadores desenvolveram uma cavidade empilhada com uma espessa camada de ouro que reflete perfeitamente a luz que entra e uma fina camada de platina que pode refletir parcialmente a luz que entra. A camada de platina, que compreende duas espessuras separadas costuradas juntas, também atua como um absorvedor-emissor térmico de banda larga. Entre os dois espelhos, os pesquisadores colocaram um dielétrico transparente, ou material que isola da condutividade elétrica, chamado parileno-C.
Os pesquisadores podem ajustar a espessura da camada de platina conforme necessário para induzir a condição crítica de acoplamento na interface costurada e capturar a luz que entra para ser perfeitamente absorvida. Eles também podem afastar o sistema do acoplamento crítico para um acoplamento sub ou supercrítico, onde a absorção e a emissão perfeitas não podem ocorrer.
“Ao ajustar a espessura da camada de platina para uma espessura crítica de cerca de 2,3 nanômetros, levamos a cavidade à condição crítica de acoplamento, onde o sistema exibe absorção perfeita e, como resultado, emissão perfeita”, disse o primeiro autor M. Said Ergoktas, pesquisador associado em engenharia de materiais na Universidade de Manchester. “Somente costurando duas camadas de platina com espessuras menores e maiores que a espessura crítica sobre a mesma camada dielétrica, podemos criar uma interface topológica de duas cavidades onde a absorção e a emissão perfeitas estão confinadas. Um ponto crucial aqui é que as cavidades que formam a interface não estão em condições críticas de acoplamento, mas a própria interface está.”
O desenvolvimento desafia a compreensão convencional da emissão térmica no campo, de acordo com o coautor Stefan Rotter, pesquisador da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria.
“Todo objeto quente irradia calor na forma de luz aleatória e incoerente”, disse Rotter. “Tradicionalmente, acredita-se que a radiação térmica não pode ter propriedades topológicas devido à sua natureza incoerente.”
Este trabalho, no entanto, demonstrou que a emissão térmica pode ser projetada para ter características topológicas, que podem criar estados de luz fortemente confinados que emitem apenas a partir da interface topológica entre duas superfícies. Os pesquisadores disseram que também podem projetar os parâmetros da interface em qualquer formato, desde uma linha estreita até algo mais complicado, como o contorno do Reino Unido.
Segundo Kocabas, sua abordagem para a construção de sistemas topológicos para controle de radiação é facilmente acessível a cientistas e engenheiros.
“Isso pode ser tão simples quanto criar um filme dividido em duas regiões com espessuras diferentes, de modo que um lado satisfaça o acoplamento subcrítico e o outro esteja no regime de acoplamento supercrítico, dividindo o sistema em duas classes topológicas diferentes”, disse Kocabas. disse.
A interface realizada exibe emissividade térmica perfeita, que é protegida pela topologia de reflexão e “exibe robustez contra perturbações e defeitos locais”, de acordo com o coautor Ali Kecebas, pós-doutorado na Penn State. A equipe usou experimentos e simulações numéricas para confirmar as características topológicas do sistema, bem como a física não-Hermitiana que sustenta o funcionamento do sistema.
Referência: “Emissão térmica localizada de interfaces topológicas” por M. Said Ergoktas, Ali Kecebas, Konstantinos Despotelis, Sina Soleymani, Gokhan Bakan, Askin Kocabas, Alessandro Principi, Stefan Rotter, Sahin K. Ozdemir e Coskun Kocabas, 6 de junho de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.ado0534
Os colaboradores incluem Sina Soleymani, que obteve doutorado em ciências da engenharia e mecânica pela Penn State em 2021, quando as primeiras fases deste trabalho foram concluídas; Konstantinos Despotelis, Gokhan Bakan e Alessandro Principi, Universidade de Manchester; e Askin Kocabas, Universidade Koc, Turquia.
O Conselho Europeu de Pesquisa, o Consolidator Grant, o Prêmio da Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (MURI) sobre Sistemas Programáveis com Dinâmica Quântica Não-Hermitiana e o Prêmio do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea apoiaram este trabalho.