Forskare vid University of Tokyo har tillkännagivit ett nytt tillvägagångssätt för elektrisk kylning utan behov av rörliga delar. Genom att applicera en förspänning på kvantbrunnar gjorda av halvledaren aluminium galliumarsenid, elektroner kan fås att avge en del av sin värme i en process som kallas "evaporativ kylning". Enheter baserade på denna princip kan läggas till elektroniska kretskort med hjälp av konventionella halvledartillverkningsmetoder för att hjälpa smartphones och bärbara datorer att undvika prestandaproblem orsakade av höga temperaturer.

Som smartphones, tabletter, och bärbara datorer blir mindre och kraftfullare, risken för överhettning blir ett allt mer akut problem. För närvarande tillgängliga fläktar är bullriga, stor och tung, och har rörliga delar som kan gå sönder. Nu, forskare vid Institutet för industrivetenskap, University of Tokyo har introducerat en ny, solid state-lösning gjord av halvledare som enkelt kan göras direkt till smarta telefoner eller bärbara datorer.

"Moderna bärbara enheter har möjliggjort den nuvarande informationsrevolutionen, " förklarar en av de första medförfattarna, Marc Bescond. "Dock, denna miniatyrisering kommer med inneboende utmaningar från spillvärmen som produceras. Vårt nya system möjliggör kylning på chip med standardprocesser för tillverkning av halvledarprodukter."

Kvantbrunnar är strukturer i nanoskala som är tillräckligt små för att fånga elektroner. Den typ av kvantbrunn som används i denna forskning kallas en asymmetrisk dubbelbarriär heterostruktur. I dessa enheter, mycket smala galliumarsenidbrunnar är åtskilda av lager av aluminium galliumarsenid. När den applicerade förspänningen är lika med energin för kvantnivån inuti brunnen, elektroner kan använda resonant tunnling för att enkelt passera en barriär. Dock, endast elektroner med hög kinetisk energi kommer att kunna fortsätta förbi en andra barriär. Eftersom de "hetare" snabbrörliga elektronerna flyr, medan de "svalare" långsamma elektronerna fastnar, enheten blir kallare.

Denna "avdunstningskylning" är analog med processen som får dig att känna dig kall när du kliver ut ur en pool. Vattenmolekylerna med mest termisk energi är de första som avdunstar från din hud, tar med sig värmen.

"Vi har uppnått elektronkylning på upp till 50 grader Celsius under omgivningsförhållanden. Dessa resultat gör våra kvantbrunnsenheter lovande för omfattande värmehantering i smarta enheter, " säger seniorförfattaren Kazuhiko Hirakawa. "Framtida smartphones kan komma med interna kretskort packade med ännu fler komponenter, så länge de också har några av dessa kylande kvantbrunnar."

Verket publiceras i Naturkommunikation som "Evaporativ elektronkylning i asymmetriska dubbelbarriärhalvledarheterostrukturer."