Охлаждение за счет контроля химического потенциала фотонов
Запуск светодиода в обратном направлении поможет охладить будущие компьютеры
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 свет и инфракрасное тепловое излучение, обычно не имеет такого типа потенциала.
«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 волны 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 измерения объектов, разделенных нанометрами, становятся возможными, потому что любые вибрации значительно уменьшены.
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 фотоны 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 фотоны 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