Princip och experimentell uppsättning. a, Schematisk framställning av energiutbyte mellan en opartisk fotodiod och en plan yta belägen i fotodiodens fjärrfält. b, Schematisk beskrivning av fotonisk kylning i närområdet. Samtidigt förbättrad fotontransport från tunneling av evanescerande vågor och undertryckande av luminescens från en omvänd partisk fotodiod leder till kylning. c, Schematisk inställning, kalorimeter och fotodiod. Gapstorleken mellan kalorimetern och fotodioden styrs med hjälp av en piezoelektrisk ställdon. En positionskänslig detektor (PSD) används för att detektera kontakt genom att övervaka laserstrålen som reflekteras från baksidan av kalorimetern. Kalorimeterns värmebeständighetsnätverk visas också. d, e, Skannande elektronmikroskopbilder av en specialdesignad kalorimeter (d) och fotodioden som används i denna studie (e). Kredit:(c) Natur (2019). DOI:10.1038/s41586-019-0918-8
I ett fynd som strider mot ett vanligt antagande i fysik, forskare vid University of Michigan sprang en ljusdiod (LED) med elektroderna omvända för att kyla en annan enhet bara nanometer bort.
Tillvägagångssättet kan leda till ny kylningsteknik för solid-state för framtida mikroprocessorer, som kommer att ha så många transistorer packade i ett litet utrymme att nuvarande metoder inte kan ta bort värme tillräckligt snabbt.
"Vi har visat en andra metod för att använda fotoner för att kyla enheter, sa Pramod Reddy, som ledde arbetet tillsammans med Edgar Meyhofer, båda professorerna i maskinteknik.
Den första - känd inom området som laserkylning - är baserad på Arthur Ashkins grundläggande arbete, som delade ut Nobelpriset i fysik 2018.
Forskarna utnyttjade istället den kemiska potentialen hos värmestrålning - ett koncept som mer vanligt används för att förklara, till exempel, hur ett batteri fungerar.
"Även i dag, många antar att strålningens kemiska potential är noll, "Meyhofer sa." Men teoretiskt arbete som går tillbaka till 1980 -talet tyder på att under vissa förutsättningar, så är inte fallet. "
Den kemiska potentialen i ett batteri, till exempel, driver en elektrisk ström när den sätts i en enhet. Inuti batteriet, metalljoner vill flyta till andra sidan eftersom de kan bli av med lite energi - kemisk potentiell energi - och vi använder den energin som elektricitet. Elektromagnetisk strålning, inklusive synligt ljus och infraröd termisk strålning, har vanligtvis inte denna typ av potential.
"Vanligtvis för termisk strålning, intensiteten beror bara på temperaturen, men vi har faktiskt en extra vred för att styra denna strålning, vilket gör den kylning vi undersöker möjlig, "sade Linxiao Zhu, en forskare i maskinteknik och huvudförfattare till arbetet.
Den ratten är elektrisk. I teorin, att vända de positiva och negativa elektriska anslutningarna på en infraröd LED kommer inte bara att hindra den från att avge ljus, men kommer faktiskt att undertrycka den värmestrålning som den borde producera bara för att den är vid rumstemperatur.
"Lysdioden, med detta omvända förspänningstrick, beter sig som om det vore vid en lägre temperatur, "Sa Reddy.
Dock, att mäta denna kylning - och bevisa att något intressant har hänt - är fruktansvärt komplicerat.
För att få tillräckligt med infrarött ljus att strömma från ett föremål till lysdioden, de två måste vara extremt nära varandra - mindre än en enda våglängd av infrarött ljus. Detta är nödvändigt för att dra nytta av effekterna "nära fält" eller "avvikande koppling", som möjliggör fler infraröda fotoner, eller ljuspartiklar, att korsa från objektet som ska kylas in i lysdioden.
Reddy och Meyhofer team hade ett ben upp eftersom de redan hade värmt och kylt nanoskala enheter, ordna dem så att de bara var några tiotals nanometer från varandra - eller mindre än en tusendels hårstrå. I denna närhet, en foton som inte skulle ha undgått föremålet som ska kylas kan passera in i lysdioden, nästan som om klyftan mellan dem inte fanns. Och teamet hade tillgång till ett ultralågt vibrationslaboratorium där mätningar av objekt separerade med nanometrar blir möjliga eftersom vibrationer, som från fotspår av andra i byggnaden, reduceras dramatiskt.
Gruppen bevisade principen genom att bygga en liten kalorimeter, som är en enhet som mäter förändringar i energi, och sätta den bredvid en liten LED ungefär lika stor som ett riskorn. Dessa två avgav och mottog ständigt termiska fotoner från varandra och på andra ställen i deras miljöer.
"Alla föremål som är vid rumstemperatur avger ljus. En mörkerseende -kamera fångar i princip det infraröda ljuset som kommer från en varm kropp, "Sa Meyhofer.
Men när lysdioden är omvänd förspänd, det började fungera som ett objekt med mycket låg temperatur, absorberar fotoner från kalorimetern. På samma gång, gapet hindrar värme från att resa tillbaka in i kalorimetern via ledning, vilket resulterar i en kylande effekt.
Teamet visade kylning av 6 watt per meter i kvadrat. Teoretiskt sett denna effekt kan ge kylning motsvarande 1, 000 watt per meter i kvadrat, eller om solens kraft på jordens yta.
Detta kan visa sig vara viktigt för framtida smartphones och andra datorer. Med mer datorkraft i mindre och mindre enheter, att ta bort värmen från mikroprocessorn börjar begränsa hur mycket effekt som kan pressas in i ett visst utrymme.
Med förbättringar av effektiviteten och kylhastigheterna för detta nya tillvägagångssätt, teamet ser detta fenomen som ett sätt att snabbt dra värme bort från mikroprocessorer i enheter. Det kan till och med stå emot de övergrepp som smartphones uthärdar, som nanoskala distanser kan ge separationen mellan mikroprocessor och LED.
Forskningen ska publiceras i tidskriften Natur den 14 februari 2019, betitlad, "Nära fältets fotoniska kylning genom kontroll av fotons kemiska potential."
