Kızılötesine görünmez: Yeni akıllı kaplama, ısıyı kontrol ederken algılanamaz kalıyor

Finlandiya'daki Aalto Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, parlak beyazdan koyu griye geçebilen, yüzeyi güçlü gündüz soğutmasından hızlı güneş ısıtmasına dönüştüren ve kızılötesi kameralar için neredeyse görünmez kalan, incecik bir "bulut" meta yüzeyi tasarladılar. Özel bir proje finansmanı olmadan gerçekleştirilen bu buluş, binaların, araçların ve tekstil ürünlerinin ısıyı nasıl yönettiğini ve termal sensörlerden nasıl saklandığını yeniden şekillendirebilir.

Güneş ışığını dağıtan ancak termal görüntülemede parlayan geleneksel beyaz boyaların aksine, plazmonik meta yüzeyin yeni beyaz hali, orta kızılötesi emisivitesi o kadar düşük tutar ki, ısı kameraları neredeyse hiçbir şey göremez.

Aynı filmi gri haline getirdiğinizde, malzeme güneş ışığını mat siyahtan daha verimli bir şekilde emer, ancak yine de belirgin bir sıcaklık yaymayı reddeder. Kümülüs bulutlarının evrimleştikçe nasıl parlayıp karardığından ilham alan bu ikili davranış, komut üzerine soğutabilen, ısıtabilen veya kamufle edebilen pasif, enerjisiz çözümlere olan artan talebe cevap veriyor.

Bir çip üzerinde bulut fiziği

Metasüryüzey, çok yönlülüğünü, ışığı çoklu saçılma, güçlü emilim ve ekibin "polarizonik yansıma" olarak adlandırdığı şekilde yönlendiren düzensiz metalik nanoyapılar topluluğuna borçludur. Beyaz halde, güneş fotonları nanoskaladaki özellikler labirentinden sekerek gökyüzüne geri döner ve tam güneş altında radyatif soğutma sağlar.

Gri halde, aynı nanoyapılar görünür ışığı yakalar ve ısıya dönüştürür. En önemlisi, her iki mod da emisiviteyi, çoğu termal kameranın baktığı 8-13 mikron aralığında, malzemeyi ortaya çıkaracak eşiğin çok altında tutar.

Aalto Üniversitesi'nden Profesör Mady Elbahri, "Her yüzeyde nanometre ölçeğinde bir bulut tasarladık. Renk ve sıcaklığını gerçek bir bulut gibi, soğuk beyaz ve sıcak gri arasında ayarlayabilirken termal kameralardan gizlenebiliyor," dedi.

Elbahri'nin grubu, geleneksel kaplamaların bir dezavantajla karşı karşıya olduğunu belirtiyor. Beyaz titanyum dioksit boyalar gölgede oldukça iyi soğur, ancak doğrudan güneş ışığı altında keskinliğini kaybeder ve termal görüntülemede parlak bir şekilde parlar. Siyah yüzeyler ise ısıyı emer ancak aynı verimlilikle yayarak kızılötesi sensörleri aydınlatır. Yeni metasurface her iki sorunu da ortadan kaldırıyor.

Soğuk beyaz, sıcak gri ve ikisi de görünmez

Kaplamaların üretimine yardımcı olan lisansüstü öğrencisi Adel Assad, bu yaklaşımı günümüzün en iyi "soğuk beyaz" boyalarıyla karşılaştırdı. "Bu yeni beyaz plazmonik metasurface, düzensiz metalik nanoyapılar aracılığıyla güneş ışığını dağıtırken termal emisyonu en aza indiriyor, tam güneş ışığında yüzeyleri soğutuyor ve termal olarak kamufle kalıyor. Bu özellik, bu yeniliği çığır açıcı kılıyor," dedi.

Testlerde, gri mod geleneksel siyah kaplamalardan daha yüksek sıcaklıklara ulaştı, ancak yine de çok az kızılötesi yaydı. Doktora sonrası araştırmacı Moheb Abdelaziz, üniversite web sitesinde yayınlanan bir makalede, "Bu gri yüzey, siyahtan daha sıcak oluyor, ancak ısı sensörlerinin görebileceği ısıyı yaymıyor. Bu, akıllı tekstiller, yapı malzemeleri ve kamuflaj için çığır açıcı olabilir," diye ekledi.

Olası uygulamalar arasında, mevsimlere göre soğutmadan ısıtmaya geçen sıfır enerjili cepheler, elektronik cihazlar olmadan giyenleri rahat ettiren giysiler ve kızılötesi algılamadan kaçınması gereken düşük görünürlüklü dronlar veya sensörler yer alıyor. Meta yüzey yalnızca birkaç yüz nanometre kalınlığında olduğundan, çelik panellere, polimer filmlere ve hatta liflere ağırlık eklemeden uygulanabilir.

Sonraki adımlar ve kalıcılık dersi

Ekip, kullanıcıların beyazdan griye dönüşümü gerçek zamanlı olarak, belki de küçük bir voltaj veya çevresel bir ipucuyla tetikleyebilmeleri için elektrokromik veya faz değişim katmanlarını entegre etmeyi hedefliyor. Araştırmacılar ayrıca, kaplamanın dış mekan kullanımına uygunluğunu doğrulamak için UV maruziyeti, nem ve mekanik stres altında dayanıklılık çalışmaları planlıyor.

Elbahri, bu atılımın nadiren gerçekleştiğini söyledi. "İlk aksaklıklardan sonra özel bir fon sağlanmadığı için, şüpheyi keşfe dönüştürmek için özellikle Almanya'daki ortaklarımızla ortak vizyon ve iş birliğine güvendik. Bu, bilimin bulutlar gibi zorluklara rağmen yükselebileceğinin kanıtı," diye düşündü.

Teknoloji laboratuvar tezgahlarından fabrika hatlarına taşınırsa, yüzeyler yakında programlanabilir gökyüzü gibi davranabilir ve geçen bir bulut kadar zahmetsizce ısıyı yansıtabilir, emebilir veya gizleyebilir.

Kaynak: IE

Dünyanın ilk kuantum ışık fabrikası çipi standart yarı iletken teknolojisi üzerine inşa edildi

Boston Üniversitesi, UC Berkeley ve Northwestern Üniversitesi'nden araştırmacılar, pratik kuantum sistemlerine doğru bir sıçrama yaparak dünyanın ilk entegre elektronik-fotonik-kuantum çipini geliştirdiler.

Çalışma, standart 45 nanometrelik bir yarı iletken işlemi kullanarak kuantum ışık kaynaklarını dengeleyici elektroniklerle tek bir platformda birleştiren bir cihazı sergiliyor.

Çip, gelecekteki kuantum hesaplama, algılama ve güvenli iletişim için kritik öneme sahip ışık parçacıkları olan ilişkili foton çiftleri akımları üretebiliyor.

Bu, ticari çip üretim teknikleri kullanılarak böylesine karmaşık bir sistemin ilk kez inşa edildiği anlamına geliyor.

Boston Üniversitesi'nde doçent olan Miloš Popović, "Kuantum hesaplama, iletişim ve algılama, konseptten gerçeğe uzanan onlarca yıllık bir yolculukta," dedi.

"Bu, bu yolda küçük bir adım; ancak önemli bir adım, çünkü ticari yarı iletken dökümhanelerinde tekrarlanabilir, kontrol edilebilir kuantum sistemleri inşa edebileceğimizi gösteriyor."

Her çip, her biri bir milimetrekareden daha az yer kaplayan on iki bağımsız kuantum ışık kaynağına ev sahipliği yapıyor. Bu "kuantum ışık fabrikaları", lazer ışığıyla çalışıyor ve foton çiftleri üretmek için mikro halka rezonatörlerine güveniyor.

Rezonatörler, sıcaklık ve üretimdeki değişikliklere karşı son derece hassastır ve bu da genellikle senkronizasyonlarını bozarak ışık akışını bozar.

Bunun üstesinden gelmek için ekip, gerçek zamanlı bir kontrol sistemini doğrudan çipe yerleştirdi.

Kuantum ölçümlerine liderlik eden Northwestern Üniversitesi'nde doktora öğrencisi olan Anirudh Ramesh, "Beni en çok heyecanlandıran şey, kontrolü doğrudan çip üzerine yerleştirmiş olmamız ve böylece bir kuantum sürecini gerçek zamanlı olarak stabilize etmiş olmamız," dedi. "Bu, ölçeklenebilir kuantum sistemlerine doğru kritik bir adım."

Gelen lazer ışığıyla uyumsuzluğu tespit etmek için her rezonatörün içine fotodiyotlar entegre edilirken, çip üzerindeki ısıtıcılar ve kontrol mantığı herhangi bir sapmayı sürekli olarak düzeltti. Bu geri bildirim döngüsü, koşullar dalgalansa bile hassas kuantum ışık üretim sürecinin sorunsuz bir şekilde çalışmasını sağlar.

Standart çip teknolojisi, olağanüstü işlev

Sistemin katı bir ticari platformda çalışmasını sağlamak için ekip, kuantum ve klasik elektroniğin çip üzerinde nasıl bir arada var olacağını yeniden düşünmek zorunda kaldı.

Boston Üniversitesi'nde fotonik cihaz tasarımına liderlik eden doktora öğrencisi Imbert Wang, "Önceki çalışmalarımıza kıyasla karşılaştığımız en önemli zorluk, fotonik tasarımını, ticari bir CMOS platformunun katı kısıtlamaları içinde kalırken kuantum optiğinin zorlu gereksinimlerini karşılayacak şekilde zorlamaktı," dedi.

Çip, başlangıçta BU, UC Berkeley, GlobalFoundries ve Ayar Labs tarafından ortaklaşa geliştirilen 45 nanometrelik bir CMOS platformu kullanılarak üretildi.

Yapay zeka ve süper bilgisayar bağlantılarını güçlendirmesiyle bilinen aynı platform, Northwestern ile yapılan yeni iş birliği sayesinde artık karmaşık kuantum fotonik sistemlerine olanak sağlıyor.

Çip tasarımını ve paketlemesini yöneten UC Berkeley'de doktora öğrencisi Daniel Kramnik, "Amacımız, karmaşık kuantum fotonik sistemlerinin tamamen bir CMOS çip içinde inşa edilebileceğini ve stabilize edilebileceğini göstermekti," dedi. "Bu, genellikle birbirleriyle iletişim kurmayan alanlar arasında sıkı bir koordinasyon gerektiriyordu."

Projedeki birçok öğrenci araştırmacı, PsiQuantum ve Ayar Labs gibi girişimlerde ve Google X'te silikon fotonik ve kuantum hesaplama alanındaki çalışmalarına devam ederek endüstri rollerine geçti.

Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı, Packard Bursu ve GlobalFoundries tarafından desteklendi.

Kaynak: IE