Discovery bringer termiske switches i nanoskala, der er nødvendige til næste generations computere

Forskere, der arbejder på et hærprojekt, udviklede termiske switches i nanoskala, der er nøglen til termisk styring af enheder i nanoskala, køling, data opbevaring, termisk databehandling og varmestyring af bygninger.

Journalen Natur nanoteknologi offentliggjort en hær-finansieret undersøgelse fra University of Michigan forskere, der viste for første gang, hvordan en nanoskala termisk switch kan bygges ved at anvende nanoskala effekter, der opstår, når varme overføres mellem en varm og kold nanoskala-tyk membran via termisk stråling.

Sammenlignet med det store udvalg af enheder, såsom transistorer og dioder, der er tilgængelige til at styre strømmen af ​​elektricitet, der findes i øjeblikket meget få forslag til styring af varmestrømmen, især på nanoskalaen. For at overvinde denne udfordring har forskere udforsket fænomener i nanoskala, der kan muliggøre nye funktionelle termiske enheder.

"Det er spændende at se hærens investeringer i grundforskning, der fører til opdagelsen af ​​nye effekter og proof of concept demonstrationer af nye termiske enheder, " sagde Dr. Chakrapani Varanasi, en programleder ved Hærens Forskningskontor, et element af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory. "Disse resultater kan have en stærk indvirkning på termisk styring til næste generation af computere til militæret."

Hærens netværksmoderniseringsstrategi er designet til at sætte hæren i stand til at kæmpe i aften, mens den også aktivt søger næste generations løsninger for at være på forkant med potentielle modstandere.

En opdagelse fra 2018 af forskerholdet, som fremhævede, hvordan varme transporteres i foretrukne retninger fra nanoskalamembraner, ledede Dr. Dakotah Thompson, hovedforfatteren af ​​2018-undersøgelsen, at begynde at udforske potentielle applikationer.

"Efter nogle overvejelser blev det tydeligt for os, at vi potentielt kunne skabe en termisk switch ved at kontrollere nanomembranernes emissionsegenskaber ved at bringe et tredje objekt i umiddelbar nærhed af nanomembranen, " sagde Dr. Edgar Meyhofer, en professor i maskinteknik ved University of Michigan.

For at teste denne hypotese, Thompson udviklede et skema, hvor et plant objekt kan bringes i umiddelbar nærhed (mikron) af to co-planære membraner, der udvekslede varme.

"For at nå dette udfordrende mål, Jeg nanofabrikerede både suspenderede kalorimetriske enheder, der havde hidtil uset kalorimetrisk opløsning og et plant mesa-formet objekt, og styrede adskillelsen mellem dem ved hjælp af en specialudviklet nanopositioner, " sagde Thompson.

Ud fra disse eksperimenter kunne forfatterne vise, at varmeoverførsel mellem nanoskalamembraner kan tændes og slukkes ved blot at modificere adskillelsen mellem membranerne og den plane mesa.

For at lave præcise numeriske forudsigelser af de eksperimentelle observationer, Dr. Linxiao Zhu, en post-doc stipendiat ved Michigan, og Thompson udførte detaljerede beregninger, der viste, hvordan observationerne kvantitativt kan relateres til, hvordan lysets udbredelse, som er bærer af varme, fra den ene membran til den anden hæmmes af den plane mesa, som enten kan absorbere lyset, der forplanter sig mellem membranerne eller reflektere det væk fra membranerne.