Varmestrømskontrol til fremtidig nanoelektronik

Elektroniske enheder og deres komponenter bliver mindre og mindre. Gennem sin doktorgradsforskning ved Institut for Anvendt Fysik ved Aalto University, Tomi Ruokola har undersøgt, hvordan den varme, der genereres af elektroniske komponenter, kunne kontrolleres og udnyttes.

Der er lidt forskning inden for varmestrømme og deres kontrol. Ruokolas undersøgelse tackler feltets grundlæggende spørgsmål:hvordan varmeoverførsel sker fra et punkt til et andet, og hvordan dette flow kan styres i elektroniske kredsløb, der nærmer sig nanoskala?

"Varmestrømme er betydeligt sværere at kontrollere end elektriske strømme. Varme er ren energi, elektricitet på den anden side er ladninger, der kan måles nøjagtigt. Varmestrømme er ikke direkte tilgængelige på samme måde, hvilket gør eksperimentel forskning svær, " forklarer Ruokola.

Ruokola har designet to mesoskopiske - en størrelse mellem makroskopiske og mikroskopiske - enheder til varmetransport. De er baseret på enkelt-elektron-fænomener:bevægelsen af ​​enkelte elektroner gennem det konstruerede system. Elektroner bærer, ud over deres elektriske ladning, en vilkårlig mængde varme.

"Jo mindre omfanget af enheder og komponenter bliver, jo mere kvanteniveau fænomener kommer i forgrunden. Dette kræver også nye ideer og metoder til varmeoverførsel."

Sammen med forsker Teemu Ojanen fra O.V. Lounasmaa Laboratory i Aalto Universitet, Ruokola udviklede en enkelt-elektron diode, en ensretter, som tillader varmen kun at strømme i den ene retning og blokerer strømmen til den anden. Ideen stammer fra den velkendte elektroniske komponent i en lignende funktion.

"Flowet mellem forskellige temperaturer er normalt symmetrisk:flowet går fra et varmere punkt til et køligere, da temperaturerne søger at balancere hinanden. Hvis vi vil kontrollere strømmene, vi er nødt til at manipulere dem til at flyde i den ønskede retning. De dioder, vi præsenterer, er ideer til, hvordan man kan komme op med en stærkt asymmetrisk varmestrøm."

"Dioden, vi udviklede, fungerede bemærkelsesværdigt godt i forhold til eksisterende litteratur, " siger Ruokola.

Banebrydende applikationer kræver eksperimentel forskning

Ruokola fortæller, at grundlæggende forskning på nanoniveau af varmestrømme er stærkt tilbageholdt af mangel på eksperimentelle opstillinger.

"Motivationen bag min forskning var frem for alt ønsket og behovet for at forstå de grundlæggende fænomener og kontrol med varmeoverførsel og strømninger."

Hvis problemerne inden for grundforskning og eksperimenter skulle løses, fremtidige anvendelser inden for nanoelektronik ville være fremragende.

Computere kunne arbejde på varmestrømme i stedet for elektricitet, og den store mængde spildvarme i serverfarme kunne fanges og konverteres allerede på mikrochipniveau. Mikrochips mindre end en nanometer ville også fungere i stuetemperatur; at gøre brug af kvanteniveaufænomener ville ikke længere kræve temperaturer, der nærmer sig det absolutte nulpunkt.

"Disse er naturligvis uden for rækkevidde, mindst et årti, eller årtier, væk."

Ikke desto mindre er Ruokola fascineret af udnyttelsen af ​​spildvarme. Som beskrevet i hans afhandling, han byggede en termoelektrisk varmemotor, som sætter spildvarmeenergi tilbage i arbejde. I motoren kan ladningsstrømmene af elektroner, der udfører arbejdet, og de varmeoverførende strømme af fotoner adskilles fra hinanden.

"I varmemotorer og spildenergi, hovedspørgsmålet er normalt energiforbrugets effektivitet. Imidlertid, når der er en overflod af spildvarme, det mest afgørende er ikke effektivitet, men snarere den maksimale effekt, der kan udvindes fra varmen, " påpeger Ruokola.

"Så længe der er kulde og et varmt sted i mikrochip, varmestrømmen mellem dem kan sættes tilbage i chippen som nyttigt arbejde."

I dioderne er hovedproblemet overførsel af store strømme. I enkeltelektronsystemer bygget af Ruokola, strømmene og effektniveauerne er selvfølgelig lave. Lignende systemer med høj interaktion - og med store strømme - ville være af stor efterspørgsel.

"Dette er de grundlæggende problemer, der endnu ikke er løst inden for varmestrømskontrol inden for nanoelektronik. Der er stadig meget, der får vores hoveder omkring i grundlæggende teori, " mener Ruokola.