Hold dig kølig i det nanoelektriske univers ved at blive varm

(Phys.org) —Som smartphones, tablets og andre gadgets bliver mindre og mere sofistikerede, den varme, de genererer under brug, stiger. Dette er et voksende problem, fordi det kan få elektronikken inde i gadgets til at mislykkes.

Konventionel visdom antyder, at løsningen er at holde indvoldene i disse gadgets kølige.

Men en ny forskningsartikel fra University at Buffalo antyder det modsatte:det vil sige, at gøre bærbare computere og andre bærbare elektroniske enheder mere robuste, mere varme kan være svaret.

"Vi har fundet ud af, at det er muligt at beskytte nanoelektroniske enheder mod den varme, de genererer på en måde, der bevarer, hvordan disse enheder fungerer, " sagde Jonathan Bird, UB professor i elektroteknik. "Dette vil forhåbentlig give os mulighed for at fortsætte med at udvikle mere kraftfulde smartphones, tabletter og andre enheder uden at have en grundlæggende nedsmeltning i deres drift på grund af overophedning."

Papiret, Dannelse af et beskyttet underbånd til ledning i kvantepunktkontakter under ekstrem forspænding, " blev offentliggjort 19. januar i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Bird er medlederforfatter sammen med Jong Han, UB-lektor i fysik. Medvirkende forfattere er Jebum Lee og Jungwoo Song, begge nyligt optjente ph.d.er ved UB; Shiran Xiao, Ph.d. -kandidat ved UB; og John L. Reno, Center for integrerede nanoteknologier ved Sandia National Laboratories.

Varme i elektroniske enheder genereres ved bevægelse af elektroner gennem transistorer, modstande og andre elementer i et elektrisk netværk. Afhængigt af netværket, der er mange forskellige måder, såsom køleventilatorer og køleplader, for at forhindre, at kredsløbene overophedes.

Men efterhånden som mere integrerede kredsløb og transistorer føjes til enheder for at øge deres computerkraft, det bliver sværere at holde disse elementer kølige. De fleste forskning centrerer sig om at udvikle avancerede materialer, der er i stand til at modstå det ekstreme miljø inde i smartphones, bærbare computere og andre enheder.

Selvom avancerede materialer viser et enormt potentiale, UB-forskningen tyder på, at der stadig kan være plads inden for det eksisterende paradigme af elektroniske enheder til at fortsætte med at udvikle mere kraftfulde computere.

For at opnå deres resultater, forskerne fremstillede halvlederenheder i nanoskala i en state-of-the-art galliumarsenidkrystal leveret til UB af Sandias Reno. Forskerne udsatte derefter chippen for en stor spænding, presse en elektrisk strøm gennem nanolederne. Det her, på tur, øget mængden af ​​varme, der cirkulerer gennem chippens nanotransistor.

Men i stedet for at nedbryde enheden, nanotransistoren forvandlede sig spontant til en kvantetilstand, som var beskyttet mod virkningen af ​​opvarmning og gav en robust kanal af elektrisk strøm. For at hjælpe med at forklare, Bird tilbød en analogi til Niagara Falls.

"Vandet, eller energi, kommer fra en kilde; I dette tilfælde, de store søer. Det kanaliseres ind i et smalt punkt (Niagarafloden) og løber i sidste ende over Niagara Falls. I bunden af ​​vandfaldet spredes energi. Men i modsætning til vandfaldet, denne spredte energi recirkulerer gennem chippen og ændrer, hvordan varme påvirker, eller i dette tilfælde ikke påvirker, netværkets drift."

Selvom denne adfærd kan virke usædvanlig, især konceptualisering af det i form af vand, der flyder over et vandfald, det er det direkte resultat af elektronikkens kvantemekaniske natur, når det ses på nanoskalaen. Strømmen består af elektroner, som spontant organiserer sig for at danne en smal ledende filament gennem nanolederen. Det er denne filament, der er så robust mod virkningerne af opvarmning.

"Vi fjerner faktisk ikke varmen, men vi har formået at forhindre det i at påvirke det elektriske netværk. På en måde, dette er en optimering af det nuværende paradigme, " sagde Han, som udviklede de teoretiske modeller, som forklarer resultaterne.