YazarPhysicist
-
271Okuma Süresi: Bu yazıyı " 5 " dakikada okuyabiliriniz.
Fizikteki genel varsayımlara aykırı bir bulguya sahip olan Michigan Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, başka bir cihazı sadece nanometreleri soğutmak için tersine çevrilmiş elektrotlu bir ışık yayan diyot (LED) kullandılar.
Bu yaklaşım, gelecekteki mikroişlemciler için yeni katı hal soğutma teknolojisine yol açabilir, bu da çok sayıda transistörün küçük bir alana paketlenmesini sağlar; mevcut metotlar ısıyı yeterince hızlı bir şekilde kaldıramaz.
Her ikisi de makine mühendisliği profesörü Edgar Meyhofer’la birlikte çalışan Pramod Reddy, “Cihazları soğutmak için fotonları kullanmak için ikinci bir yöntem gösterdik” dedi.
Alanda, lazer soğutma olarak bilinen birincisi, 2018’de Nobel Fizik ödülünü paylaşan Arthur Ashkin’in kuruluş esasına dayanıyor.
Araştırmacılar, bunun yerine, örneğin pilin nasıl çalıştığını açıklamak için daha yaygın olarak kullanılan bir kavram olan termal radyasyonun kimyasal potansiyelinden yararlandılar.
Meyhofer, “Bugün bile çoğu, radyasyonun kimyasal potansiyelinin sıfır olduğunu varsaymaktadır.” Dedi. “Fakat 1980’lere kadar devam eden teorik çalışma, bazı koşullar altında böyle olmadığını gösteriyor.”
Örneğin bir bataryadaki kimyasal potansiyel, bir cihaza yerleştirildiğinde elektrik akımı besler. Bataryanın içinde metal iyonları diğer tarafa akmak istiyor, çünkü bir miktar enerjiden – kimyasal potansiyel enerji- den kurtulabiliyorlar ve biz bu enerjiyi elektrik olarak kullanıyoruz. Görünür ışık ve kızılötesi termal radyasyon dahil olmak üzere elektromanyetik radyasyon tipik olarak bu tür bir potansiyele sahip değildir.
“Genellikle termal radyasyon için, yoğunluk yalnızca sıcaklığa bağlıdır, ancak aslında bu radyasyonu kontrol etmek için ilave bir topuz var, bu da soğutmayı mümkün kılıyoruz.” Dedi. iş.
Bu düğme elektrikli. Teoride, kızılötesi bir LED üzerindeki pozitif ve negatif elektrik bağlantılarının tersine çevrilmesi ışık yaymasını engellemeyecek, ancak oda sıcaklığında olduğu için üretmesi gereken termal radyasyonu da baskılayacaktır.
Reddy, “LED, bu ters önyargı numarasıyla, daha düşük bir sıcaklıktaymış gibi davranıyor,” dedi.
Bununla birlikte, bu soğutmanın ölçülmesi – ve ilginç bir şeyin olduğunu kanıtlamak – korkunç bir şekilde karmaşıktır.
Bir nesneden LED’e akacak kadar kızılötesi ışığın elde edilmesi için, ikisinin birbirine çok yakın olması gerekir – tek bir kızılötesi ışığın dalga boyundan daha az. Bu, daha fazla kızılötesi fotonların veya ışık parçacıklarının, LED’den soğutulacak cisimden geçmesini sağlayan “yakın alan” veya “evanescent coupling” etkilerinden yararlanmak için gereklidir.
Reddy ve Meyhofer’in ekibi ayağa kalktı çünkü zaten nano ölçekli cihazları ısıtıyorlar ve soğutuyorlardı, onları sadece birkaç on nanometre ayrı olacaklardı ya da binin en az binde biri kadardı. Bu yakınlıkta, soğutulacak cisimden kaçmayacak bir foton, aralarındaki boşluk yokmuş gibi, LED’e geçebilir. Ve ekip, nanometre ile ayrılan nesnelerin ölçümlerinin mümkün olduğu ultra düşük titreşimli bir laboratuara erişebildi; çünkü binadaki diğer kişilerin ayak izlerinden gelenler gibi titreşimler büyük ölçüde azaldı.
Grup, enerji değişimlerini ölçen bir cihaz olan minik bir kalorimetrenin inşa edilmesi ve pirinç tanesinin büyüklüğü ile ilgili küçük bir LED’in yanına koyulması ilkesini kanıtladı. Bu ikisi sürekli olarak ortamlarında birbirlerinden ve başka yerlerden termal fotonlar yayıyor ve alıyorlardı.
Meyhofer, “Oda sıcaklığındaki herhangi bir nesne ışık yayıyor. Bir gece görüş kamerası temel olarak sıcak bir gövdeden gelen kızılötesi ışığı alıyor” dedi.
Fakat LED ters çevrildiğinde, kalorimetreden fotonları emen çok düşük sıcaklıklı bir nesne olarak hareket etmeye başladı. Aynı zamanda, boşluk, ısının iletkenlik yoluyla kalorimetreye geri dönmesini önleyerek soğutma etkisine neden olur.
Ekip metre kare başına 6 watt soğutma gösterdi. Teorik olarak, bu etki metre kare başına 1.000 watt’a eşdeğer soğutma ya da Dünya yüzeyindeki güneşin gücü ile ilgili üretebilir.
Bu gelecekteki akıllı telefonlar ve diğer bilgisayarlar için önemli olduğu ortaya çıkabilir. Daha küçük ve daha küçük cihazlarda daha fazla bilgi işlem gücüyle, mikroişlemciden ısının çıkarılması, belirli bir alana ne kadar güç sıkılabileceğini sınırlamaya başlar.
Ekip, bu yeni yaklaşımın verimliliğini ve soğutma oranlarını iyileştirerek, bu olguyu, cihazlardaki mikroişlemcilerden hızlı bir şekilde ısı çekmenin bir yolu olarak öngörüyor. Nano ölçekli ayırıcılar mikroişlemci ve LED arasındaki ayrımı sağlayabildiğinden akıllı telefonların maruz kaldığı suistimallere bile dayanabiliyordu.
Araştırma, 14 Şubat 2019 tarihinde Nature dergisinde, “Fotonların kimyasal potansiyelinin kontrolü yoluyla yakın alan fotonik soğutma” başlıklı dergide yayınlanacak.