在一項與物理學(xué)中的共同假設(shè)背道而馳的發(fā)現(xiàn)中，密歇根大學(xué)的研究人員運(yùn)行了一個發(fā)光二極管(LED)，其電極被反轉(zhuǎn)，以便冷卻另一個僅僅納米的器件。

這種方法可能會為未來的微處理器帶來新的固態(tài)冷卻技術(shù)，這將有如此多的晶體管封裝在一個很小的空間內(nèi)，目前的方法不能足夠快地去除熱量。

“我們已經(jīng)展示了使用光子來冷卻設(shè)備的第二種方法，”Pramod Reddy說，他與Edgar Meyhofer共同領(lǐng)導(dǎo)了這兩位機(jī)械工程教授的工作。

第一個 - 激光冷卻領(lǐng)域的知名 - 是基于Arthur Ashkin的基礎(chǔ)工作，他在2018年分享了諾貝爾物理學(xué)獎。

研究人員反而利用了熱輻射的化學(xué)潛力 - 這一概念更常用于解釋電池的工作原理。

“即使在今天，許多人都認(rèn)為輻射的化學(xué)勢是零，”Meyhofer說。“但可以追溯到20世紀(jì)80年代的理論工作表明，在某些情況下，事實并非如此。”

例如，電池中的化學(xué)勢可以在放入設(shè)備時驅(qū)動電流。在電池內(nèi)部，金屬離子想要流到另一側(cè)，因為它們可以擺脫一些能量 - 化學(xué)勢能 - 我們將這些能量用作電力。電磁輻射，包括可見光和紅外熱輻射，通常不具有這種潛力。

“通常對于熱輻射，強(qiáng)度只取決于溫度，但我們實際上還有一個額外的旋鈕來控制這種輻射，這使得我們調(diào)查的冷卻成為可能，”機(jī)械工程研究員，研究的主要作者林曉霄說。工作。

那把旋鈕是電動的。理論上，逆轉(zhuǎn)紅外LED上的正負(fù)電連接不僅會阻止其發(fā)光，而且實際上會抑制它應(yīng)該產(chǎn)生的熱輻射，因為它是在室溫下。

“帶有這種反向偏置技巧的LED表現(xiàn)得好像處于較低的溫度，”雷迪說。

然而，測量這種冷卻 - 并證明發(fā)生了任何有趣的事情 - 是非常復(fù)雜的。

為了獲得足夠的紅外光從物體流入LED，兩者必須非常接近 - 不到一波長的紅外光。這對于利用“近場”或“漸逝耦合”效應(yīng)是必要的，這使得更多的紅外光子或光粒子能夠從待冷卻的物體穿過到LED中。

Reddy和Meyhofer的團(tuán)隊有一條腿，因為他們已經(jīng)加熱和冷卻納米級設(shè)備，安排它們只有幾十納米的間隔 - 或不到千分之一的頭發(fā)寬度。在這種近距離處，一個不會從待冷卻物體逃逸的光子可以進(jìn)入LED，幾乎就好像它們之間的間隙不存在一樣。該團(tuán)隊可以進(jìn)入一個超低振動實驗室，在那里測量被納米分隔的物體變得可行，因為振動，例如建筑物中其他人的腳步聲，會大大減少。

該小組通過構(gòu)建一個小型量熱計證明了這一原則，這是一種測量能量變化的裝置，并將其放在一個大小與一粒米大小相當(dāng)?shù)奈⑿蚅ED旁邊。這兩個不斷發(fā)射和接收來自彼此和其環(huán)境中其他地方的熱光子。

“任何在室溫下的物體都會發(fā)光。夜視攝像機(jī)基本上是捕捉來自溫暖身體的紅外線，”Meyhofer說。

但是一旦LED反向偏置，它就會開始作為一個非常低溫的物體，吸收熱量計的光子。同時，間隙防止熱量通過傳導(dǎo)返回?zé)崃坑?，從而產(chǎn)生冷卻效果。

該團(tuán)隊展示了每平方米6瓦的冷卻效果。從理論上講，這種效應(yīng)可以產(chǎn)生相當(dāng)于每平方米1000瓦的冷卻，或者相當(dāng)于地球表面日照的能量。

這可能對未來的智能手機(jī)和其他計算機(jī)非常重要。隨著越來越小的設(shè)備具有更強(qiáng)的計算能力，從微處理器中移除熱量開始限制可以擠入給定空間的功率。

隨著這種新方法的效率和冷卻速率的提高，該團(tuán)隊將這種現(xiàn)象設(shè)想為一種快速從設(shè)備中的微處理器吸收熱量的方法。它甚至可以抵御智能手機(jī)所遭受的侵害，因為納米尺度的墊片可以提供微處理器和LED之間的分離。

該研究將發(fā)表在2019年2月14日的“ 自然 ” 雜志上，標(biāo)題為“通過控制光子的化學(xué)勢來實現(xiàn)近場光子冷卻”。