Per oltre un secolo e mezzo, la legge di Kirchhoff sulla radiazione termica ha imposto un vincolo preciso: una superficie capace di assorbire calore a una certa lunghezza d’onda e da una determinata direzione deve anche emetterlo nello stesso modo. È una regola fondamentale della termodinamica e dell’ottica.

Questa però rende difficile progettare dispositivi in grado di gestire il calore con la stessa flessibilità con cui i circuiti elettronici controllano la corrente. Un gruppo internazionale di ricercatori ritiene ora di aver trovato una strada per separare, almeno in parte, assorbimento ed emissione, aprendo la possibilità di ottenere una radiazione termica “programmabile”.

Come funziona la metagrating

La proposta, descritta su Laser & Photonics Reviews, ruota attorno a una struttura chiamata metagrating, una griglia microscopica composta da rilievi progettati per intrappolare e guidare la luce. Il dispositivo combina un materiale magneto-ottico, il cui comportamento cambia in presenza di un campo magnetico, con una sostanza a cambiamento di fase capace di conservare memoria dello stato raggiunto. Il materiale scelto è il Ge2Sb2Te5, una lega di germanio, antimonio e tellurio già impiegata nei CD e DVD riscrivibili. Può passare da una configurazione amorfa e disordinata a una cristallina e ordinata, mantenendo l’informazione anche quando l’alimentazione viene interrotta.

Controllo di assorbimento ed emissione

Modificando l’angolo con cui la luce colpisce la struttura, l’intensità del campo magnetico e le dimensioni della griglia, gli scienziati sono riusciti nei modelli matematici a regolare l’assorbimento del calore senza ottenere automaticamente un’emissione identica e reciproca. La lunghezza d’onda operativa potrebbe inoltre essere spostata lungo un ampio intervallo semplicemente cambiando l’angolo di incidenza. In questo modo il sistema potrebbe essere acceso, spento e riconfigurato, conservando anche una sorta di memoria termica.

Applicazioni e limiti dello studio

Le possibili applicazioni comprendono emettitori infrarossi più efficienti, sensori intelligenti, dispositivi per l’energia e memorie fotoniche capaci di immagazzinare dati attraverso luce e calore invece delle sole cariche elettriche. Il lavoro, tuttavia, rimane ancora teorico: il prototipo non è stato costruito e lo studio ha analizzato soprattutto l’assorbimento, mentre il comportamento dell’emissione è stato in parte dedotto. Anche la necessità di un campo magnetico esterno rappresenta una difficoltà tecnica (recentemente una scoperta ha fatto scalpore: la terza legge dei buchi neri è falsa?).

Il prossimo passo sarà trasformare i calcoli in un dispositivo reale e compatto, verificando se questa forma di controllo termico possa funzionare davvero su scala microscopica. Secondo i ricercatori, il traguardo finale è arrivare a componenti capaci di dirigere la radiazione termica in modo attivo, stabile e selettivo, quasi come avviene oggi con il flusso di elettricità nei chip.

Intanto abbiamo interpretato male una delle principali leggi della fisica per quasi 300 anni.

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