Elektroniska enheter och deras komponenter blir mindre och mindre. Genom sin doktorsforskning vid institutionen för tillämpad fysik vid Aalto-universitetet, Tomi Ruokola har undersökt hur värmen som genereras av elektroniska komponenter skulle kunna kontrolleras och utnyttjas.
Det finns lite forskning inom området värmeflöden och deras kontroll. Ruokolas studie tar upp de grundläggande frågorna inom området:hur värmeöverföring sker från en punkt till en annan och hur detta flöde kan styras i elektroniska kretsar som närmar sig nanoskala?
"Värmeflöden är betydligt svårare att kontrollera än elektriska strömmar. Värme är ren energi, elektricitet å andra sidan är laddningar som kan mätas exakt. Värmeflöden är inte direkt tillgängliga på samma sätt, vilket gör experimentell forskning svår, " förklarar Ruokola.
Ruokola har designat två mesoskopiska – en storlek mellan makroskopiska och mikroskopiska – enheter för värmetransport. De är baserade på enelektronfenomen:rörelsen av enstaka elektroner genom det konstruerade systemet. Elektroner bär, förutom sin elektriska laddning, en godtycklig mängd värme.
"Ju mindre skalan av enheter och komponenter blir, ju mer kvantnivåfenomen kommer i förgrunden. Detta kräver nya idéer och metoder för värmeöverföring också."
Tillsammans med forskaren Teemu Ojanen vid O.V. Lounasmaa Laboratory vid Aalto-universitetet, Ruokola utvecklade en enelektrondiod, en likriktare, som tillåter värme att flöda endast i en riktning och blockerar flödet till den andra. Idén kommer från den välkända elektroniska komponenten av en liknande funktion.
"Flödet mellan olika temperaturer är normalt symmetriskt:flödet går från en varmare punkt till en svalare, eftersom temperaturerna försöker balansera varandra. Om vi vill kontrollera flödena, vi måste manipulera dem så att de flyter i önskad riktning. Dioderna vi presenterar är idéer för hur man kommer fram till ett starkt asymmetriskt värmeflöde."
"Dioden vi utvecklade fungerade anmärkningsvärt bra jämfört med befintlig litteratur, säger Ruokola.
Banbrytande tillämpningar kräver experimentell forskning
Ruokola berättar att grundläggande forskning på nanonivå av värmeflöden hålls hårt tillbaka av bristen på experimentella upplägg.
"Motivationen bakom min forskning var framför allt viljan och behovet av att förstå de grundläggande fenomenen och kontrollen av värmeöverföring och flöden."
Om problemen inom grundforskning och experiment skulle lösas, framtida tillämpningar inom nanoelektronik skulle vara enastående.
Datorer skulle kunna arbeta med värmeströmmar istället för el, och den stora mängden spillvärme i serverfarmar kunde fångas upp och konverteras redan på mikrochipnivå. Mikrochips mindre än en nanometer skulle också fungera i rumstemperatur; att använda kvantnivåfenomen skulle inte längre kräva temperaturer som närmar sig den absoluta nollpunkten.
"Dessa är naturligtvis utom räckhåll, minst ett decennium, eller decennier, bort."
Ändå är Ruokola fascinerad av utnyttjandet av spillvärme. Som beskrivs i hans avhandling, han byggde en termoelektrisk värmemotor, vilket sätter spillvärmeenergin tillbaka i arbete. I motorn kan laddningsflödena av elektroner som gör jobbet och de värmeöverförande flödena av fotoner separeras från varandra.
"I värmemotorer och spillenergi, huvudfrågan är vanligtvis energianvändningens effektivitet. Dock, när det finns ett överflöd av spillvärme, det viktigaste är inte effektivitet, utan snarare den maximala kraften som kan utvinnas från värmen, " påpekar Ruokola.
"Så länge det är kyla och en het punkt i mikrochipet, värmeflödet mellan dem kan sättas tillbaka i chipet som nyttigt arbete."
I dioderna är huvudproblemet att överföra stora strömmar. I enelektronsystemen byggda av Ruokola, strömmarna och effektnivåerna är naturligtvis låga. Liknande system med hög interaktion – och med stora strömmar – skulle vara av stor efterfrågan.
"Detta är de grundläggande frågorna som ännu inte har lösts i värmeflödeskontroll inom nanoelektronik. Det finns fortfarande mycket som vi får upp ögonen för i grundläggande teori, " tror Ruokola.
