Znaleźli nowy przełącznik energii. Brzmi jak czysta magia
Fizycy pokazali, jak przesuwać ciepło do przodu i do tyłu niczym wiązkę lasera. Nowa symetria w czasie może zmienić elektronikę.
Wyobraź sobie, że możesz wcisnąć przewiń i cofnij na pilocie sterującym ciepłem w materiale. Fizycy pokazali właśnie, że da się zaprogramować, gdzie i kiedy energia cieplna ma płynąć – do przodu, do tyłu, a nawet zatrzymać się w wybranym miejscu. Kluczem jest egzotycznie brzmiąca temporalna antysymetria PT i pomysł, by fazą przejścia w układzie sterować nie w przestrzeni, ale w czasie.
Symetria PT – kiedy lustro i czas grają w jednej drużynie
Symetria PT łączy dwa typy odwrócenia: przestrzeni i czasu. Parzystość (P) to w uproszczeniu symetria lustrzana – patrzymy na układ jak w odbiciu. Symetria czasowa (T) pyta, czy prawa fizyki wyglądają podobnie, gdybyśmy odtworzyli proces od końca do początku, jak film przewijany wstecz.
W układach nieidealnych, które wymieniają energię z otoczeniem (tzw. niehermitowskich), taka symetria prowadzi do istnienia punktów wyjątkowych. To granice między różnymi trybami działania układu: zrównoważonym i takim, w którym równowaga zysków i strat energii się załamuje. Do tej pory większość badań dotyczyła układów falowych – światła czy dźwięku – i była statyczna: raz zaprojektowany układ miał z góry ustalone parametry.
Anty-PT w czasie. Ważne jest kiedy, a nie tylko gdzie
Nowa praca rozszerza to podejście na przepływ ciepła, czyli proces dyfuzyjny, w którym energia zwykle rozmywa się i ucieka. Zamiast klasycznej symetrii PT badacze wprowadzają temporalną antysymetrię PT. Anty oznacza, że układ zysków i strat energii ma strukturę odwróconą względem tradycyjnej PT. Temporalna oznacza, że kluczowa staje się chwila w czasie, w której układ przekracza punkt wyjątkowy.
Zamiast budować układ raz na zawsze, naukowcy przełączają go w czasie. Najpierw działają w trybie transportu: parametry są ustawione tak, by górka temperatury mogła przemieszczać się po materiale – zgodnie z konwekcją lub wbrew niej. W wybranym momencie układ jest przełączany w konfigurację anty-PT, w której znajduje się już po drugiej stronie punktu wyjątkowego. W tej fazie ciepło przestaje się rozlewać i zostaje uwięzione w nowym miejscu. Historia przepływu jest więc świadomie zaprogramowana.
Trzy pierścienie, jeden impuls ciepła
Aby pokazać, że ten pomysł działa, zespół zbudował urządzenie w kształcie trzech współśrodkowych pierścieni. Dwa zewnętrzne wykonano z miedzi i wprawiono w ruch obrotowy – w ten sposób niosą one rozkład temperatury po obwodzie niczym ruchoma taśma. Środkowy pierścień pełni funkcję regulowanej warstwy sprzęgającej: decyduje, jak łatwo ciepło przeskakuje między pozostałymi dwoma pierścieniami.
W jednym punkcie układu wprowadzany jest krótki impuls ciepła. Na kamerze termowizyjnej widać go jak jasny garb temperatury. Obracające się pierścienie zaczynają przesuwać ten garb po okręgu. W precyzyjnie wybranej chwili badacze jednocześnie zmieniają prędkość obrotu pierścieni i właściwości cieplne środkowego pierścienia. Układ przechodzi przez punkt wyjątkowy i wchodzi w reżim, w którym temperatura przestaje się swobodnie rozmywać, a maksimum zostaje przypięte do nowego miejsca.
Algorytm liczy idealny moment przełączenia
Wyznaczenie idealnego momentu przełączenia jest zbyt złożone, by robić to na kartce. Trzeba uwzględnić dyfuzję ciepła, konwekcję i zmieniające się w czasie parametry sprzężenia. Właśnie dlatego naukowcy sięgnęli po głębokie uczenie maszynowe.
Sieć neuronowa dostała konkretne zadanie: dla wyjściowego położenia górki i wybranego punktu docelowego ma obliczyć czas, w którym należy zmienić parametry układu. Eksperyment pokazał, że takie wyliczenia działają. I to bardzo dobrze. Temperatura może być prowadzona zgodnie z konwekcją, wbrew niej, a następnie zatrzymywana w zaplanowanym miejscu – wszystko w tym samym geometrycznie prostym urządzeniu, tylko z innym scenariuszem czasowym.
Po co nam programowalne ciepło?
Choć demonstracja z trzema pierścieniami wygląda jak zabawa naukowa, konsekwencje mogą być tak naprawdę bardzo praktyczne. W jednym z testów badacze pokazali, że dzięki tej metodzie da się poprawić lokalne chłodzenie elementu urządzenia o kilka kelwinów, czyli obniżyć temperaturę tam, gdzie najbardziej tego potrzeba.
W świecie coraz gęściej upakowanej elektroniki możliwość świadomego prowadzenia ciepła może być bardzo cenna. Zamiast biernie odprowadzać energię przez radiatory, można by ją kierować do obszarów, które lepiej znoszą nagrzewanie, a kluczowe komponenty aktywnie odciążać.
Przeczytaj także:
Autorzy pracy podkreślają, że koncepcja temporalnej antysymetrii PT może zostać przeniesiona na inne platformy: światło, dźwięk czy fale spinowe w materiałach magnetycznych. W kolejnych etapach badań chcą przejść od prostego pierścienia do pełnego sterowania w dwóch i trzech wymiarach, a także sprawdzić, czy podobne strategie da się zastosować do innych procesów rozprzestrzeniania, np. transportu substancji chemicznych.
