Охлаждение за счет контроля химического потенциала фотонов

Запуск светодиода в обратном направлении поможет охладить будущие компьютеры

0 676

В результате исследований, противоречащих общепринятым в физике предположениям, исследователи из Мичиганского университета установили светодиод (LED) с перевернутыми электродами, чтобы охладить другое устройство на расстоянии всего нескольких нанометров.

Этот подход может привести к созданию новой технологии твердотельного охлаждения для будущих микропроцессоров, которые будут иметь так много транзисторов, упакованных в небольшое пространство, что современные методы не смогут отводить тепло достаточно быстро.

«Мы продемонстрировали второй метод использования фотонов для охлаждения устройств», — сказал Прамод Редди, который руководил работой с Эдгаром Мейхофером.

Первый метод — известный в данной области как лазерное охлаждение — основан на основополагающей работе Артура Ашкина, который в 2018 году получил Нобелевскую премию по физике.

Вместо этого исследователи использовали химический потенциал теплового излучения — понятие, более часто используемое для объяснения, например, как работает батарея.

«Даже сегодня многие предполагают, что химический потенциал излучения равен нулю», — сказал Мейхофер. «Но теоретическая работа, восходящая к 1980-м годам, предполагает, что в некоторых условиях это не так».

Например, химический потенциал в батарее вызывает электрический ток при включении в устройство. Внутри батареи ионы металлов хотят перетекать на другую сторону, потому что они могут избавиться от некоторой энергии — потенциальной химической энергии — и мы используем эту энергию в качестве электричества. Электромагнитное излучение, включая видимый и инфракрасное тепловое излучение, обычно не имеет такого типа потенциала.

Смотрите также  Связь между квантовой запутанностью и холодным кофе

«Обычно для теплового излучения интенсивность зависит только от температуры, но на самом деле у нас есть дополнительная «ручка» для управления этим излучением, что делает возможным исследуемое нами охлаждение», — сказал Линсяо Чжу, научный сотрудник в области машиностроения и ведущий автор исследования.

Эта ручка электрическая. Теоретически, изменение положительных и отрицательных электрических соединений на инфракрасном светодиоде не только остановит его от излучения света, но и фактически подавит тепловое излучение, которое оно должно генерировать, только потому, что оно находится при комнатной температуре. «Светодиод с этим трюком с обратным смещением ведет себя так, как если бы он был при более низкой температуре», — говорят ученые.

Однако измерить это охлаждение и доказать, что произошло что-то интересное, чрезвычайно сложно.

Чтобы получить достаточное количество инфракрасного света для прохождения от объекта к светодиоду, они должны быть расположены очень близко друг к другу — меньше, чем длина инфракрасного света. Это необходимо для того, чтобы воспользоваться преимуществами «ближнего поля» или «затухающей связи», которые позволяют большему количеству инфракрасных фотонов или частиц света проходить от объекта, охлаждаемого в светодиоде.

Ученые были готовы к этому, потому что они уже нагревали и охлаждали наноразмерные устройства, расположив их так, чтобы они были на расстоянии всего лишь нескольких десятков нанометров — или менее одной тысячной ширины волоса. В этой непосредственной близости фотон, который не покинул бы охлаждаемый объект, может пройти в светодиод, почти как если бы промежутка между ними не было. И у команды был доступ к лаборатории ультранизких вибраций, где объектов, разделенных нанометрами, становятся возможными, потому что любые вибрации значительно уменьшены.

Смотрите также  Установлен рекорд по передаче лазерного сигнала через атмосферу
Принцип и экспериментальная установка. A. Схематическое изображение обмена энергией между несмещенным фотодиодом и плоской поверхностью, расположенной в дальней зоне фотодиода. B, схематическое описание фотонного охлаждения в ближнем поле. Одновременное усиление переноса фотонов от туннелирования затухающих волн и подавление свечения от обратного смещения фотодиода приводят к охлаждению. C, схема установки, калориметр и фотодиод. Размер зазора между калориметром и фотодиодом контролируется с помощью пьезоэлектрического привода. Позиционно-чувствительный детектор (PSD) используется для обнаружения контакта путем контроля лазерного луча, отраженного от задней части калориметра. Термическая сеть сопротивления калориметра также показана. D, E, изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа специально разработанного калориметра (d) и фотодиода, использованного в этом исследовании (e).

Группа ученых подтвердила этот принцип, создав крошечный калориметр, представляющий собой устройство, которое измеряет изменения энергии, и поместили его рядом с крошечным светодиодом. Два объекта постоянно излучали и получали тепловые друг от друга и из окружающей среды.

«Любой объект, который находится при комнатной температуре, излучает свет. Камера ночного видения в основном улавливает инфракрасный свет, исходящий от теплого тела», — говорят исследователи.

Но как только светодиод был смещен в обратном направлении, он начал действовать как объект с очень низкой температурой, поглощая из калориметра. В то же время, зазор предотвращает попадание тепла обратно в калориметр, что приводит к эффекту охлаждения.

Ученые продемонстрировали охлаждение 6 Вт на метр квадратный. Теоретически, этот эффект может привести к охлаждению, эквивалентному 1000 Вт на квадратный метр, или примерно к мощности солнечного света на поверхности Земли.

Новый метод может оказаться важным для будущих смартфонов и компьютеров. С улучшением эффективности и скорости охлаждения при использовании нового подхода, ученые рассматривают это явление как способ быстрого отвода тепла от микропроцессоров в электронных устройствах.


Near-field photonic cooling through control of the chemical potential of photons, Nature (2019). https://www.nature.com/articles/s41586-019-0918-8 

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x