وقت سردشدن است. نظریه نشان می‌دهد که این وسیله می‌تواند با افزایش انرژی تابشی از جسم، ‌دمای آن را کاهش دهد، ‌هرچند احتمالا نمی‌تواند روی یک قوطی نوشابه کار کند.

همه‌ی اجسام گرما تابش می‌کنند و درهمان‌حال تابشِ گرمای محیط را نیز دریافت می‌کنند. تجزیه‌وتحلیل نظری نشان می‌دهد وسیله‌ای می‌تواند تابش خروجی اجسام را افزایش دهد و آنها را در محیط گرم، سرد کند. وقتی این «سردکننده فوتونی» روی سطح جسمی قرار می‌گیرد، فرکانس تابش فوتون‌ها و درنتیجه مقدار انرژی خروجی آن افزایش می‌یابد. چنین وسیله‌ی سردکننده‌ی فعالی را می‌توان از نانومواد لایه‌ای ساخت و روی اجزای الکترونیکی نصب کرد تا آنها را خنک کند.

تابش یک جسم طیف مشخصه‌ای دارد که بیشینه‌ی فرکانس آن با دمای جسم مشخص می‌شود. طیف تابشی یک جسم در دمای ۵۰درجه‌ی سانتی‌گراد دارای بیشینه فرکانسی در ۱۶ تراهرتز (THz) است. اگر دمای محیط آن ۲۰ درجه‌ی سانتی‌گراد باشد، جسمْ تابشی با بیشینه فرکانس ۱۷ تراهرتز جذب خواهد کرد. تعداد فوتون‌های دریافتی در هر فرکانس بیشتر از تعداد فوتون‌های خروجی است و به‌این‌ترتیب بافرض این‌که هیچ شکل دیگری از انتقال گرما رخ نمی‌دهد، جسم گرم خواهد شد.شانهویی فن و همکارانش در دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا، می‌خواهند با دادن انرژی بیشتر به فوتون‌های تابشی تأثیر خالص این مبادله را معکوس کنند و بگذارند که فوتون‌ها گرمای بیشتری را خارج کنند. این وسیله‌ی خنک‌کننده با جسم تماس مستقیم دارد و مانند «پوست»ی عمل می‌کند که رنگ (فرکانس) تابشی جسم را تغییر می‌دهد.

برای انجام این کار بزرگ، سردکننده‌ی فوتونی باید ضریب‌شکستی داشته باشد که با زمان تغییر کند. این نوسان یا «مدولاسیون» را می‌توان به روش‌های مختلفی انجام داد. مثلاً این دستگاه می‌تواند شبیه یک مدولاتور (تلفیق‌کننده) صوتی-نوری باشد که شامل قطعه‌ای کوارتز یا مواد شفاف دیگری است که با امواج صوتی ارتعاش می‌کند. امواج باعث می‌شود که ماده به‌طور متناوب منبسط و منقبض شود و به‌این‌ترتیب ضریب شکست نوسان می‌کند. فوتون‌های گذرنده ازطریق مدولاتور می‌توانند با پراکندگی این امواج، «ضربه»ی فرکانس دریافت کنند. تغییر فرکانس‌های بالاتر در بلورهای خاصی امکان‌پذیر است که ضریب آن با یک سیگنال الکتریکی متغیر با زمان یا یک باریکه‌ی نور تعدیل می‌شود.

گروه فن به‌دنبال مهندسی مدولاسیون برای اعمال محدوده‌ی مشخصی از فرکانس‌های فوتونی است. مثلاً هدف این وسیله می‌تواند ۱۶ تراهرتز فوتون تابشی از جسمی با دمای ۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد باشد،‌ و اگر ضریب وسیله در ۲ تراهرتز تعدیل شود، فرکانس آن تا ۱۸ تراهرتز افزایش می‌یابد. تعداد فوتون‌های ۱۸تراهرتزی تابشی از وسیله بیش از تعداد فوتون‌های جذب‌شده‌ی ۱۸ تراهرتزی از محیط با دمای ۲۰ درجه‌ی سانتی‌گراد خواهد بود، بنابراین گرمای بیشتر در این فرکانس به بیرون شارش می‌یابد. شار گرمایی خالص در دیگر فرکانس‌ها می‌تواند به‌سمت داخل باشد،‌ اما مجموع تاثیرات در تمام فرکانس‌ها باعث خنک‌شدن جسم خواهد شد.

البته کار سردکردن خودبه‌خود نخواهد بود. مثلاً مدولاسیون ضریبْ شکلی از کاری است که یک ژنراتور (تولیدکننده) موج صوتی یا یک منبع نوری انجام می‌دهد. گروه بازدهی انرژی سیستم خود را محاسبه کرد و دریافت که،‌ در یک مورد ایده‌آل، خنک‌کننده‌ی فوتونی می‌تواند در حد بالای بازدهی تنظیم‌شده با قوانین ترمودینامیک کلاسیک کار کند.

همچنین گروه به‌صورت نظری اجرای خاصی از تصور کلی خود را تجزیه‌وتحلیل کرد: ساختاری شامل لایه‌های نازکی از دو نوع ماده‌ی عایق که روی جسم قرار مي‌گیرد. منبع نوری تراهرتزی می‌تواند ضریب لایه‌های خاص را مدوله کند تا تغییرات فرکانس بهینه را انتخاب نماید. محققان مقدارهای واقع‌بینانه‌ای برای خواص مواد به‌دست آورده‌اند و آهنگ سردشدن را ۳۰۰ میلی‌وات بر مترمربع محاسبه کردند که بسیار کمتر از یک یخچال متوسط است. فن تصدیق می‌کند که سردکننده‌ی فوتونی برای سردکردن یک گالن (حدود ۴ لیتر) شیر خیلی خوب کار نمی‌کند، اما می‌تواند برای اجسام خیلی کوچک، در جاهایی که ابزارهای خنک‌کننده‌ی سنتی چندان موثر نیست، مفید باشد. سیدهارث بودهی‌راجو، فارغ‌التحصیل و عضو گروه استنفورد، می‌گوید چیپ‌های کامپیوتری و دیگر اجزاء الکترونیکی هنگام استفاده داغ مي‌شوند که باعث کاهش عملکرد آنها می‌شود. ساختارهای فوتونیکی می‌توانند آنها را خنک نگه دارند.

میخائیل کیتس، متخصص نانوفوتونیک از دانشگاه ویسکانسین در مدیسون، پیش‌بینی‌های جدید را «نتیجه‌ی هیجان‌انگیز» نامیده است. او می‌گوید کارهای انجام‌شده به‌دنبال تلاش‌های اخیر در عایق‌های نوری مانند ابزارهای یک‌طرفه‌ی نوری هستند. او می‌گوید بااین‌وجود مکانیسم خنک‌کننده‌ی خاص جدید است و عملکرد ترمودینامیکی محاسبه‌شده قابل‌توجه است. همچنین کیتس فکر می‌کند که ساختارهای لایه‌ای که نویسندگان تصویر کرده‌اند قابل‌دسترس است.

نویسنده:

Michael Schirber، ویراستار نشریه physics در لیون فرانسه است.

منبع:

https://physics.aps.org/articles/v13/22