Elektronische apparaten en hun componenten worden steeds kleiner. Door zijn promotieonderzoek bij de afdeling Technische Natuurkunde van de Universiteit van Aalto, Tomi Ruokola heeft onderzocht hoe de warmte die wordt gegenereerd door elektronische componenten kan worden gecontroleerd en benut.

Er is weinig onderzoek op het gebied van warmtestromen en hun beheersing. Ruokola's studie pakt de fundamentele vragen van het veld aan:hoe vindt warmteoverdracht plaats van het ene punt naar het andere en hoe kan deze stroom worden gecontroleerd in elektronische circuits die de nanoschaal benaderen?

"Warmtestromen zijn aanzienlijk moeilijker te beheersen dan elektrische stromen. Warmte is pure energie, elektriciteit daarentegen zijn ladingen die nauwkeurig kunnen worden gemeten. Warmtestromen zijn niet op dezelfde manier direct toegankelijk, wat experimenteel onderzoek moeilijk maakt, " legt Ruokola uit.

Ruokola heeft twee mesoscopische - een grootte tussen macroscopische en microscopische - apparaten ontworpen voor warmtetransport. Ze zijn gebaseerd op single-electron verschijnselen:de beweging van enkele elektronen door het geconstrueerde systeem. elektronen dragen, naast hun elektrische lading, een willekeurige hoeveelheid warmte.

"Hoe kleiner de schaal van apparaten en componenten wordt, hoe meer verschijnselen op kwantumniveau naar voren komen. Dat vraagt ​​ook om nieuwe ideeën en methoden voor warmteoverdracht."

Samen met onderzoeker Teemu Ojanen van O.V. Lounasmaa-laboratorium aan de universiteit van Aalto, Ruokola ontwikkelde een single-electron diode, een gelijkrichter, waardoor warmte slechts in één richting kan stromen en de stroom naar de andere blokkeert. Het idee komt van de bekende elektronische component met een vergelijkbare functie.

"De stroom tussen verschillende temperaturen is normaal gesproken symmetrisch:de stroom gaat van een warmer punt naar een koeler punt, terwijl de temperaturen elkaar in evenwicht proberen te houden. Als we de stromen willen beheersen, we moeten ze manipuleren om in de gewenste richting te stromen. De diodes die we presenteren zijn ideeën om tot een sterk asymmetrische warmtestroom te komen."

"De door ons ontwikkelde diode presteerde opmerkelijk goed in vergelijking met bestaande literatuur, ' zegt Ruokola.

Baanbrekende toepassingen vereisen experimenteel onderzoek

Ruokola vertelt dat fundamenteel onderzoek naar warmtestromen op nanoniveau ernstig wordt belemmerd door een gebrek aan experimentele opstellingen.

"De motivatie achter mijn onderzoek was vooral de wens en behoefte om de basisfenomenen en beheersing van warmteoverdracht en -stromen te begrijpen."

Als de problemen in fundamenteel onderzoek en experimenten zouden worden opgelost, toekomstige toepassingen in nano-elektronica zouden uitstekend zijn.

Computers zouden kunnen werken op warmtestromen in plaats van op elektriciteit, en de enorme hoeveelheid restwarmte in serverparken kon al op microchipniveau worden opgevangen en omgezet. Microchips kleiner dan een nanometer zouden ook werken bij kamertemperatuur; door gebruik te maken van fenomenen op kwantumniveau zouden geen temperaturen meer nodig zijn die het absolute nulpunt naderen.

"Deze zijn natuurlijk buiten bereik, minstens een decennium, of decennia, weg."

Toch is Ruokola geïntrigeerd door het gebruik van restwarmte. Zoals uiteengezet in zijn proefschrift, hij bouwde een thermo-elektrische warmtemotor, waardoor restwarmte-energie weer aan het werk wordt gezet. In de motor kunnen de ladingsstromen van elektronen die het werk doen en de warmteoverdragende stromen van fotonen van elkaar worden gescheiden.

"In warmtemotoren en energieverspilling, het belangrijkste probleem is meestal de efficiëntie van het energieverbruik. Echter, wanneer er een overvloed aan restwarmte is, het meest cruciale is niet efficiëntie, maar eerder het maximale vermogen dat uit de warmte kan worden gehaald, " merkt Ruokola op.

"Zolang er koude en een hete plek in microchip is, de warmtestroom ertussen kan als nuttig werk terug in de chip worden gestopt."

In de diodes is het grootste probleem het overbrengen van grote stromen. In de enkel-elektron systemen gebouwd door Ruokola, de stromen en het vermogen zijn natuurlijk laag. Er zou veel vraag zijn naar vergelijkbare systemen met een hoge interactie - en met grote stromen.

"Dit zijn de fundamentele problemen die nog moeten worden opgelost in de regeling van de warmtestroom in nano-elektronica. Er is nog steeds veel om ons hoofd rond te draaien in de basistheorie, ', meent Ruokola.