In een bevinding die indruist tegen een algemene aanname in de natuurkunde, onderzoekers van de Universiteit van Michigan gebruikten een lichtgevende diode (LED) met omgekeerde elektroden om een ​​ander apparaat op slechts nanometer afstand te koelen.

De aanpak zou kunnen leiden tot nieuwe solid-state koeltechnologie voor toekomstige microprocessors, die zoveel transistors in een kleine ruimte zal hebben dat de huidige methoden de warmte niet snel genoeg kunnen verwijderen.

"We hebben een tweede methode gedemonstreerd om fotonen te gebruiken om apparaten te koelen, " zei Pramod Reddy, die samen met Edgar Meyhofer het werk leidde, beide hoogleraren werktuigbouwkunde.

De eerste, in het veld bekend als laserkoeling, is gebaseerd op het fundamentele werk van Arthur Ashkin, die in 2018 de Nobelprijs voor Natuurkunde deelde.

De onderzoekers maakten in plaats daarvan gebruik van het chemische potentieel van thermische straling - een concept dat vaker wordt gebruikt om uit te leggen, bijvoorbeeld, hoe een batterij werkt.

"Zelfs vandaag, velen nemen aan dat het chemische potentieel van straling nul is, Meyhofer zei. "Maar theoretisch werk dat teruggaat tot de jaren tachtig suggereert dat onder bepaalde omstandigheden, dit is niet het geval."

Het chemische potentieel in een batterij, bijvoorbeeld, drijft een elektrische stroom aan wanneer deze in een apparaat wordt geplaatst. Binnen de batterij, metaalionen willen naar de andere kant stromen omdat ze wat energie kunnen kwijtraken - chemische potentiële energie - en we gebruiken die energie als elektriciteit. Electromagnetische straling, inclusief zichtbaar licht en infrarood warmtestraling, heeft dit type potentieel meestal niet.

"Meestal voor thermische straling, de intensiteit is alleen afhankelijk van de temperatuur, maar we hebben eigenlijk een extra knop om deze straling te regelen, waardoor de koeling die we onderzoeken mogelijk is, " zei Linxiao Zhu, een research fellow in werktuigbouwkunde en de hoofdauteur van het werk.

Die knop is elektrisch. In theorie, het omkeren van de positieve en negatieve elektrische verbindingen op een infrarood-LED zal niet alleen voorkomen dat deze licht uitstraalt, maar zal in feite de thermische straling onderdrukken die het zou moeten produceren, alleen maar omdat het op kamertemperatuur is.

"De led, met deze omgekeerde bias-truc, gedraagt ​​zich als bij een lagere temperatuur, ' zei Reddy.

Echter, het meten van deze afkoeling - en bewijzen dat er iets interessants is gebeurd - is afschuwelijk ingewikkeld.

Om voldoende infrarood licht te krijgen om van een object in de LED te stromen, de twee zouden extreem dicht bij elkaar moeten zijn - minder dan een enkele golflengte van infrarood licht. Dit is nodig om te profiteren van "near field" of "evanescente koppeling" effecten, die meer infraroodfotonen mogelijk maken, of lichtdeeltjes, om van het te koelen object naar de LED te gaan.

Het team van Reddy en Meyhofer had een voorsprong omdat ze al apparaten op nanoschaal hadden verwarmd en gekoeld. ze zo rangschikken dat ze slechts enkele tientallen nanometers van elkaar verwijderd waren - of minder dan een duizendste van een haar. In deze nabijheid, een foton dat niet aan het te koelen object zou zijn ontsnapt, kan in de LED terechtkomen, bijna alsof de kloof tussen hen niet bestond. En het team had toegang tot een laboratorium met ultralage trillingen waar metingen van objecten die op nanometers van elkaar zijn, mogelijk worden omdat trillingen, zoals die van voetstappen van anderen in het gebouw, worden drastisch verminderd.

De groep bewees het principe door een minuscule calorimeter te bouwen, dat is een apparaat dat veranderingen in energie meet, en zet het naast een kleine LED ter grootte van een rijstkorrel. Deze twee zenden en ontvingen voortdurend thermische fotonen van elkaar en elders in hun omgeving.

"Elk object dat op kamertemperatuur is, straalt licht uit. Een nachtzichtcamera vangt in feite het infraroodlicht op dat van een warm lichaam komt, ' zei Meyhofer.

Maar zodra de LED omgekeerd is bevooroordeeld, het begon te werken als een object met een zeer lage temperatuur, absorberen fotonen van de calorimeter. Tegelijkertijd, de opening voorkomt dat warmte via geleiding terug de calorimeter ingaat, waardoor een verkoelend effect ontstaat.

Het team demonstreerde een koeling van 6 watt per vierkante meter. theoretisch, dit effect kan een koeling opleveren die gelijk is aan 1, 000 watt per vierkante meter, of over de kracht van zonneschijn op het aardoppervlak.

Dit kan van belang blijken te zijn voor toekomstige smartphones en andere computers. Met meer rekenkracht in steeds kleinere apparaten, het verwijderen van de warmte van de microprocessor begint de hoeveelheid stroom die in een bepaalde ruimte kan worden geperst, te beperken.

Met verbeteringen van de efficiëntie en koelsnelheden van deze nieuwe aanpak, het team ziet dit fenomeen als een manier om snel warmte weg te halen van microprocessors in apparaten. Het kan zelfs bestand zijn tegen de misstanden die smartphones ondergaan, aangezien afstandhouders op nanoschaal de scheiding tussen microprocessor en LED zouden kunnen bieden.

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuur op 14 februari 2019, getiteld, "Near-field fotonische koeling door controle van het chemische potentieel van fotonen."