Principio e impostazione sperimentale. un, Rappresentazione schematica dello scambio di energia tra un fotodiodo imparziale e una superficie planare situata nel campo lontano del fotodiodo. B, Descrizione schematica della refrigerazione fotonica in campo vicino. Il miglioramento simultaneo del trasporto di fotoni dal tunneling delle onde evanescenti e la soppressione della luminescenza da un fotodiodo con polarizzazione inversa portano al raffreddamento. C, Schema dell'allestimento, calorimetro e fotodiodo. La dimensione del gap tra il calorimetro e il fotodiodo è controllata utilizzando un attuatore piezoelettrico. Un rilevatore sensibile alla posizione (PSD) viene utilizzato per rilevare il contatto monitorando il raggio laser riflesso dal retro del calorimetro. Viene anche mostrata la rete di resistenza termica del calorimetro. D, e, Scansione di immagini al microscopio elettronico di un calorimetro progettato su misura (d) e del fotodiodo utilizzato in questo studio (e). Credito:(c) Natura (2019). DOI:10.1038/s41586-019-0918-8
In una scoperta che va contro un presupposto comune in fisica, i ricercatori dell'Università del Michigan hanno utilizzato un diodo a emissione di luce (LED) con elettrodi invertiti per raffreddare un altro dispositivo a pochi nanometri di distanza.
L'approccio potrebbe portare a una nuova tecnologia di raffreddamento a stato solido per i futuri microprocessori, che avrà così tanti transistor imballati in un piccolo spazio che i metodi attuali non possono rimuovere il calore abbastanza rapidamente.
"Abbiamo dimostrato un secondo metodo per utilizzare i fotoni per raffreddare i dispositivi, " ha detto Pramod Reddy, che ha co-diretto il lavoro con Edgar Meyhofer, entrambi professori di ingegneria meccanica.
Il primo, noto nel settore come raffreddamento laser, si basa sul lavoro fondamentale di Arthur Ashkin, che ha condiviso il premio Nobel per la fisica nel 2018.
I ricercatori hanno invece sfruttato il potenziale chimico della radiazione termica, un concetto più comunemente usato per spiegare, Per esempio, come funziona una batteria
"Anche oggi, molti presumono che il potenziale chimico della radiazione sia zero, " Ha detto Meyhofer. "Ma il lavoro teorico che risale agli anni '80 suggerisce che in alcune condizioni, Questo non è il caso."
Il potenziale chimico in una batteria, ad esempio, guida una corrente elettrica quando viene inserito in un dispositivo. All'interno della batteria, gli ioni metallici vogliono fluire dall'altra parte perché possono liberarsi di una certa energia, energia potenziale chimica, e noi usiamo quell'energia come elettricità. Radiazioni elettromagnetiche, compresa la luce visibile e la radiazione termica infrarossa, in genere non ha questo tipo di potenziale.
"Di solito per la radiazione termica, l'intensità dipende solo dalla temperatura, ma in realtà abbiamo una manopola aggiuntiva per controllare questa radiazione, che rende possibile il raffreddamento che indaghiamo, " disse Linxiao Zhu, un ricercatore in ingegneria meccanica e l'autore principale del lavoro.
Quella manopola è elettrica. In teoria, invertire le connessioni elettriche positive e negative su un LED a infrarossi non solo impedirà a quest'ultimo di emettere luce, ma sopprimerà effettivamente la radiazione termica che dovrebbe produrre solo perché è a temperatura ambiente.
"Il LED, con questo trucco di polarizzazione inversa, si comporta come se fosse a una temperatura più bassa, " ha detto Reddy.
Però, misurare questo raffreddamento e dimostrare che è successo qualcosa di interessante è orribilmente complicato.
Per ottenere una quantità sufficiente di luce infrarossa per fluire da un oggetto al LED, i due dovrebbero essere estremamente vicini tra loro, meno di una singola lunghezza d'onda della luce infrarossa. Ciò è necessario per sfruttare gli effetti di "near field" o di "accoppiamento evanescente", che consentono più fotoni infrarossi, o particelle di luce, attraversare dall'oggetto da raffreddare nel LED.
Il team di Reddy e Meyhofer ha avuto un vantaggio perché stavano già riscaldando e raffreddando dispositivi su scala nanometrica, disponendoli in modo che distassero solo poche decine di nanometri, o meno di un millesimo di un capello. A questa stretta vicinanza, un fotone che non sarebbe sfuggito all'oggetto da raffreddare può passare nel LED, quasi come se il divario tra loro non esistesse. E il team ha avuto accesso a un laboratorio a vibrazioni ultra basse in cui le misurazioni di oggetti separati da nanometri diventano possibili perché le vibrazioni, come quelli dei passi di altri nell'edificio, sono drasticamente ridotti.
Il gruppo dimostrò il principio costruendo un minuscolo calorimetro, che è un dispositivo che misura i cambiamenti di energia, e mettendolo accanto a un minuscolo LED delle dimensioni di un chicco di riso. Questi due emettevano e ricevevano costantemente fotoni termici l'uno dall'altro e altrove nei loro ambienti.
"Qualsiasi oggetto a temperatura ambiente emette luce. Una telecamera per la visione notturna sta fondamentalmente catturando la luce a infrarossi che proviene da un corpo caldo, "Ha detto Meyhofer.
Ma una volta che il LED è polarizzato inversamente, ha iniziato a comportarsi come un oggetto a temperatura molto bassa, assorbendo i fotoni dal calorimetro. Allo stesso tempo, l'intercapedine impedisce al calore di ritornare nel calorimetro per conduzione, con conseguente effetto di raffreddamento.
Il team ha dimostrato un raffreddamento di 6 watt per metro quadrato. Teoricamente, questo effetto potrebbe produrre un raffreddamento equivalente a 1, 000 watt per metro quadrato, o sul potere del sole sulla superficie terrestre.
Questo potrebbe rivelarsi importante per i futuri smartphone e altri computer. Con più potenza di calcolo in dispositivi sempre più piccoli, rimuovere il calore dal microprocessore sta iniziando a limitare la quantità di energia che può essere spremuta in un dato spazio.
Con i miglioramenti dell'efficienza e delle velocità di raffreddamento di questo nuovo approccio, il team immagina questo fenomeno come un modo per allontanare rapidamente il calore dai microprocessori nei dispositivi. Potrebbe persino resistere agli abusi subiti dagli smartphone, poiché i distanziatori su nanoscala potrebbero fornire la separazione tra microprocessore e LED.
La ricerca sarà pubblicata sulla rivista Natura il 14 febbraio, 2019, intitolato, "Raffreddamento fotonico in campo vicino attraverso il controllo del potenziale chimico dei fotoni".
