Светодиоды, подключенные в обратном направлении, смогут охлаждать компьютеры

Инженеры-исследователи из Мичиганского университета запускали светодиод (LED) с электродами, подключенными в обратной полярности, чтобы охладить другое устройство на расстоянии всего нескольких нанометров. Этот подход может привести к созданию новых твердотельных кулеров для будущих микропроцессоров, в которых будет так много транзисторов, упакованных в маленькое пространство, что современные методы охлаждения не смогут отводить тепло достаточно быстро.

«Мы продемонстрировали второй способ использования фотонов для охлаждения устройств», — говорит Прамод Редди, который возглавлял исследовательскую группу вместе с Эдгаром Мейхофером. Оба профессора машиностроения.

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

Но вместо этого исследователи из Мичигана использовали химический потенциал теплового излучения, который чаще всего используется для объяснения работы батарей.

«Даже сегодня многие полагают, что химический потенциал излучения равен нулю», — говорит Мейхофер. «Но теоретическая работа, проделанная еще в 1980-х годах, предполагает, что в некоторых условиях это не так».

Команда UM сделала калориметр с зоной чувствительности 80 микрометров (0,08 мм) в поперечнике

Например, химический потенциал батареи вызывает электрический ток при замыкании электрической цепи через устройство. Внутри батареи ионы металлов стремятся перетекать на другую сторону, потому что они могут избавиться от некоторой энергии — потенциальной химической энергии — которую мы используем в качестве электричества. Электромагнитное излучение, включая видимый свет и инфракрасное тепловое излучение, обычно не имеет такого типа потенциала.

Теоретически, изменение полярности при подключении на обратную на инфракрасном светодиоде не только остановит излучения света, но и фактически подавит тепловое излучение, которое должно генерироваться, только потому, что оно находится при комнатной температуре. «Светодиод с трюком обратного смещения ведет себя так, как если бы он работал при более низкой температуре», — говорит Редди.

Однако измерить данный тип охлаждения и доказать что-нибудь интересное сложно. Чтобы получить достаточное количество инфракрасного света (ИК) для прохождения от объекта охлаждения к светодиоду, светодиод и объект должны быть очень близко друг к другу — меньше, чем длина волны ИК-излучения. Это необходимо для того, чтобы воспользоваться эффектами «ближнего поля» или «затухающей связи», которые позволяют большему количеству инфракрасных фотонов (или частиц света) переходить от объекта охлаждения в светодиод.

Команда Редди и Мейхофера имеют преимущества в исследовании данного рода явлений, потому что они уже нагревали и охлаждали наноразмерные устройства, расположив их так, чтобы они были на расстоянии всего нескольких десятков нанометров друг от друга. В этом диапазоне фотон, который не смог бы ускользнуть от охлаждаемого объекта, может попасть в светодиод почти так, 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 величина вибраций, например от шагов или проезжающих рядом транспортных средств, значительно уменьшена.

Команда UM модифицировала инфракрасный фотодиод размером с рисовое зерно, показанное на этом электронно-микроскопическом изображении. Он сгладил его поверхность так, чтобы они могли разместить его всего в 55 нанометрах (0,000055 миллиметров) от изготовленного на заказ калориметра. Измерения калориметра показали, что фотодиод при работе с перевернутыми электродами вел себя так, как если бы он был при более низкой температуре, и охлаждал калориметр.

Исследовательская группа подтвердила этот принцип, создав крошечный калориметр (устройство, которое измеряет изменения энергии) и поместив его рядом со светодиодом размером с рисовое зерно. Калориметр и светодиод постоянно излучали и принимали тепловые фотоны друг от друга и в других местах окружающей среды. «Любой объект при комнатной температуре излучает свет», — говорит Мейхофер. «Камера ночного видения в основном улавливает инфракрасный свет, исходящий от тела».

Но как только полярность светодиода была изменена, он начал действовать как объект с очень низкой температурой, поглощая фотоны из калориметра. В то же время, проводимость зазора блокирует тепло от прохождения обратно в калориметр, что приводит к эффекту охлаждения.

Команда добилась охлаждение 6 Вт на метр квадратный. Теоретически, этот эффект может привести к охлаждению, эквивалентному 1000 Вт на квадратный метр.

Это может оказаться важным для будущих смартфонов и других компьютеров. С увеличением вычислительной мощности в устройствах все меньшего и меньшего размера отвод тепла от микропроцессоров начинает ограничивать объем энергии, который можно втиснуть в заданное пространство.

С улучшением эффективности и скорости охлаждения, с использованием нового подхода, команда исследователей
рассматривает вышеизложенное явление, как способ быстрого отвода тепла от микропроцессоров в мелкогабаритных
устройствах.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *