Запуск светодиода в обратном направлении может охладить будущие компьютеры. В результате исследований, противоречащих общепринятым в физике предположениям, исследователи из Мичиганского университета запустили светодиод (LED) с перевернутыми электродами, чтобы охладить другое устройство на расстоянии всего нескольких нанометров.

Принцип и экспериментальная установка. а. Схематическое представление обмена энергией между несмещенным фотодиодом и плоской поверхностью, расположенной в дальней зоне фотодиода. б, схематическое описание фотонного охлаждения в ближней зоне. Одновременное усиление транспорта фотонов от туннелирования затухающих волн и подавление свечения от обратного смещения фотодиода приводят к охлаждению. в, 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. Тепловое сопротивление сети калориметра также показано. д, е, Изображения сканирующего электронного микроскопа калориметра (d) и фотодиода, использованного в этом исследовании (e). Фото: (с) Природа (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-0918-8

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

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

Первый, 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 радиации 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. Работа.

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», — сказал Редди.

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

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

Команда Редди и Мейхофера были готовы, 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 со сверхнизкой вибрацией, где измерения объектов, разделенных нанометрами, становятся возможными, потому что вибрации, такие как от шагов других в здании, значительно уменьшены.

Группа подтвердила этот принцип, создав крошечный калориметр, представляющий собой устройство, которое измеряет изменения энергии, и поместил его рядом с крошечным светодиодом размером с рисовое зерно. Эти двое постоянно излучали и принимали тепловые фотоны друг от друга и в других местах окружающей среды.

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

Но как только светодиод 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 через проводимость, что приводит к эффекту охлаждения.

Команда продемонстрировала 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.

Это может оказаться важным для будущих смартфонов и других компьютеров. С увеличением вычислительной мощности в устройствах меньшего и меньшего размера отвод тепла от микропроцессора начинает ограничивать объем энергии, который можно сжать в заданном пространстве.

С улучшением эффективности и скорости охлаждения этого нового подхода, команда рассматривает это явление как способ быстрого отвода тепла от микропроцессоров в устройствах. Это может даже противостоять злоупотреблениям со стороны смартфонов, поскольку наноразмерные разделители могут обеспечить разделение между микропроцессором и светодиодом.

Исследование будет опубликовано в журнале Nature от 14 февраля 2019 года под названием «Фотонное охлаждение в ближнем поле за счет контроля химического потенциала фотонов».

По материалам phys.org