反向运行LED可以为未来的计算机降温

在一项与物理学中的共同假设背道而驰的发现中，密歇根大学的研究人员运行了一个发光二极管(LED)，其电极被反转，以便冷却另一个仅仅纳米的器件。

这种方法可能会为未来的微处理器带来新的固态冷却技术，这将有如此多的晶体管封装在一个很小的空间内，目前的方法不能足够快地去除热量。

“我们已经展示了使用光子来冷却设备的第二种方法，”Pramod Reddy说，他与Edgar Meyhofer共同领导了这两位机械工程教授的工作。

第一个 - 激光冷却领域的知名 - 是基于Arthur Ashkin的基础工作，他在2018年分享了诺贝尔物理学奖。

研究人员反而利用了热辐射的化学潜力 - 这一概念更常用于解释电池的工作原理。

“即使在今天，许多人都认为辐射的化学势是零，”Meyhofer说。“但可以追溯到20世纪80年代的理论工作表明，在某些情况下，事实并非如此。”

例如，电池中的化学势可以在放入设备时驱动电流。在电池内部，金属离子想要流到另一侧，因为它们可以摆脱一些能量 - 化学势能 - 我们将这些能量用作电力。电磁辐射，包括可见光和红外热辐射，通常不具有这种潜力。

“通常对于热辐射，强度只取决于温度，但我们实际上还有一个额外的旋钮来控制这种辐射，这使得我们调查的冷却成为可能，”机械工程研究员，研究的主要作者林晓霄说。工作。

那把旋钮是电动的。理论上，逆转红外LED上的正负电连接不仅会阻止其发光，而且实际上会抑制它应该产生的热辐射，因为它是在室温下。

“带有这种反向偏置技巧的LED表现得好像处于较低的温度，”雷迪说。

然而，测量这种冷却 - 并证明发生了任何有趣的事情 - 是非常复杂的。

为了获得足够的红外光从物体流入LED，两者必须非常接近 - 不到一波长的红外光。这对于利用“近场”或“渐逝耦合”效应是必要的，这使得更多的红外光子或光粒子能够从待冷却的物体穿过到LED中。

Reddy和Meyhofer的团队有一条腿，因为他们已经加热和冷却纳米级设备，安排它们只有几十纳米的间隔 - 或不到千分之一的头发宽度。在这种近距离处，一个不会从待冷却物体逃逸的光子可以进入LED，几乎就好像它们之间的间隙不存在一样。该团队可以进入一个超低振动实验室，在那里测量被纳米分隔的物体变得可行，因为振动，例如建筑物中其他人的脚步声，会大大减少。

该小组通过构建一个小型量热计证明了这一原则，这是一种测量能量变化的装置，并将其放在一个大小与一粒米大小相当的微型LED旁边。这两个不断发射和接收来自彼此和其环境中其他地方的热光子。

“任何在室温下的物体都会发光。夜视摄像机基本上是捕捉来自温暖身体的红外线，”Meyhofer说。

但是一旦LED反向偏置，它就会开始作为一个非常低温的物体，吸收热量计的光子。同时，间隙防止热量通过传导返回热量计，从而产生冷却效果。

该团队展示了每平方米6瓦的冷却效果。从理论上讲，这种效应可以产生相当于每平方米1000瓦的冷却，或者相当于地球表面日照的能量。

这可能对未来的智能手机和其他计算机非常重要。随着越来越小的设备具有更强的计算能力，从微处理器中移除热量开始限制可以挤入给定空间的功率。

随着这种新方法的效率和冷却速率的提高，该团队将这种现象设想为一种快速从设备中的微处理器吸收热量的方法。它甚至可以抵御智能手机所遭受的侵害，因为纳米尺度的垫片可以提供微处理器和LED之间的分离。

该研究将发表在2019年2月14日的“ 自然 ” 杂志上，标题为“通过控制光子的化学势来实现近场光子冷却”。