At køre en LED baglæns kan afkøle fremtidige computere

I et fund, der strider mod en almindelig antagelse i fysik, forskere ved University of Michigan kørte en lysemitterende diode (LED) med elektroder omvendt for at køle en anden enhed kun nanometer væk.

Tilgangen kan føre til ny solid-state køleteknologi til fremtidige mikroprocessorer, som vil have så mange transistorer pakket ind i et lille rum, at de nuværende metoder ikke kan fjerne varme hurtigt nok.

"Vi har demonstreret en anden metode til at bruge fotoner til at køle enheder, " sagde Pramod Reddy, som ledte arbejdet sammen med Edgar Meyhofer, begge professorer i maskinteknik.

Den første - kendt på området som laserkøling - er baseret på Arthur Ashkins grundlæggende arbejde, som delte Nobelprisen i fysik i 2018.

Forskerne udnyttede i stedet det kemiske potentiale af termisk stråling - et begreb, der mere almindeligt bruges til at forklare, for eksempel, hvordan et batteri fungerer.

"Selv i dag, mange antager, at strålingens kemiske potentiale er nul, " sagde Meyhofer. "Men teoretisk arbejde, der går tilbage til 1980'erne, tyder på, at under nogle forhold, dette er ikke tilfældet."

Det kemiske potentiale i et batteri, for eksempel, driver en elektrisk strøm, når den sættes i en enhed. Inde i batteriet, metalioner vil gerne flyde til den anden side, fordi de kan slippe af med noget energi – kemisk potentiel energi – og vi bruger den energi som elektricitet. Elektromagnetisk stråling, inklusive synligt lys og infrarød termisk stråling, har typisk ikke denne type potentiale.

"Sædvanligvis til termisk stråling, intensiteten afhænger kun af temperaturen, men vi har faktisk en ekstra knap til at styre denne stråling, hvilket gør den køling vi undersøger mulig, " sagde Linxiao Zhu, en forsker i maskinteknik og hovedforfatter på værket.

Den knap er elektrisk. I teorien, vending af de positive og negative elektriske forbindelser på en infrarød LED vil ikke bare forhindre den i at udsende lys, men vil faktisk undertrykke den termiske stråling, som den burde producere, bare fordi den er ved stuetemperatur.

"LED'en, med dette omvendte bias-trick, opfører sig som om det var ved en lavere temperatur, " sagde Reddy.

Imidlertid, at måle denne afkøling – og bevise, at der skete noget interessant – er uhyggeligt kompliceret.

For at få nok infrarødt lys til at strømme fra en genstand ind i LED'en, de to skulle være ekstremt tæt på hinanden - mindre end en enkelt bølgelængde af infrarødt lys. Dette er nødvendigt for at drage fordel af "nærfelt" eller "evanescent kobling"-effekter, som muliggør flere infrarøde fotoner, eller partikler af lys, at krydse fra objektet, der skal køles ind i LED'en.

Reddy og Meyhofers team havde et ben, fordi de allerede havde opvarmet og afkølet enheder i nanoskala, arrangerede dem, så de kun var et par titusinder af nanometer fra hinanden – eller mindre end en tusindedel af et hårs bredde. I denne nærhed, en foton, der ikke ville have undslippet objektet, der skal afkøles, kan passere ind i LED'en, næsten som om kløften mellem dem ikke eksisterede. Og holdet havde adgang til et laboratorium med ultralav vibration, hvor målinger af genstande adskilt af nanometer blev mulige, fordi vibrationer, såsom dem fra fodspor fra andre i bygningen, er dramatisk reduceret.

Gruppen beviste princippet ved at bygge et minimalt kalorimeter, som er en enhed, der måler ændringer i energi, og sætte den ved siden af ​​en lille lysdiode på størrelse med et riskorn. Disse to udsendte og modtog konstant termiske fotoner fra hinanden og andre steder i deres miljøer.

"Enhver genstand, der er ved stuetemperatur, udsender lys. Et nattesynskamera fanger dybest set det infrarøde lys, der kommer fra en varm krop, " sagde Meyhofer.

Men når først LED'en er omvendt forspændt, det begyndte at fungere som et objekt med meget lav temperatur, absorberer fotoner fra kalorimeteret. På samme tid, mellemrummet forhindrer varmen i at rejse tilbage til kalorimeteret via ledning, resulterer i en kølende effekt.

Holdet demonstrerede afkøling på 6 watt pr. kvadratmeter. Teoretisk set, denne effekt kunne producere afkøling svarende til 1, 000 watt pr. meter i kvadrat, eller om solens kraft på Jordens overflade.

Dette kan vise sig at være vigtigt for fremtidige smartphones og andre computere. Med mere computerkraft i mindre og mindre enheder, fjernelse af varmen fra mikroprocessoren begynder at begrænse, hvor meget strøm der kan presses ind i et givet rum.

Med forbedringer af effektiviteten og kølehastighederne i denne nye tilgang, holdet forestiller sig dette fænomen som en måde til hurtigt at trække varme væk fra mikroprocessorer i enheder. Det kunne endda stå imod de overgreb, som smartphones udsættes for, da afstandsstykker i nanoskala kunne give adskillelsen mellem mikroprocessor og LED.

Forskningen skal publiceres i tidsskriftet Natur den 14. feb. 2019, med titlen, "Nærfelt fotonisk afkøling gennem kontrol af fotonernes kemiske potentiale."