Запуск светодиода в обратном направлении может охладить будущие компьютеры

Схема Принцип и экспериментальная установка
Принцип и экспериментальная установка. а. Схематическое изображение обмена энергией между несмещенным фотодиодом и плоской поверхностью, расположенной в дальней зоне фотодиода. б, схематическое описание фотонного охлаждения в ближнем поле. Одновременное усиление транспорта фотонов от туннелирования затухающих волн и подавление свечения от обратного возмещения фотодиода приводят к охлаждению. с, схема установки, калориметр и фотодиод. Размер зазора между калориметром и фотодиодом контролируется с помощью пьезоэлектрического привода. Позиционно-чувствительный детектор (PSD) используется для контроля лазерного луча, отраженного от задней части калориметра. Термическая сеть сопротивления калориметра также доступна. изображения сканирующего электронного микроскопа калориметра (d) и фотодиода, использованного в этом исследовании (е)

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, которая будет иметь так много транзисторов, упакованных в небольшом пространстве, 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 преимуществами «ближнего поля» или «затухающей связи», которые позволяют большему количеству инфракрасных фотонов или частиц света проходить от объекта, охлаждаемого 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 ультранизких вибраций, 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 получали 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, с которыми сталкиваются смартфоны, поскольку наноразмерные распорки могут обеспечить разделение между микропроцессором и светодиодом.

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

Сайт источника https://phys.org/news/2019-02-reverse-cool-future.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

meanders.ru.com © 2020

Adblock
detector