Käännetään ledi jäähdyttäjäksi

Kuvan infrapunafotodiodin tasoitettu pinta sijoitetaan 55 nanometrin etäisyydelle kalorimetrista. Mittaukset osoittivat, että käännetyillä elektrodeilla toimiva fotodiodi käyttäytyi kuin se olisi alemmassa lämpötilassa ja jäähdytti kalorimetria. 

Fysiikan yleisen olettamuksen vastaisessa havainnossaan Michiganin yliopiston tutkijat käyttivät valoa emittoivaa diodia (LED), jonka elektrodit käännetty, jäähdyttämään toista laitetta, joka on vain nanometrien etäisyydellä.

Lähestymistapa voisi johtaa uuteen kiinteän tilan jäähdytystekniikkaan tuleville erittäin tiheästi pakatuille mikroprosessoreille.

”Olemme osoittaneet toisen menetelmän fotonien käyttämiseksi laitteiden jäähdyttämiseen,” toteaa Pramod Reddy, joka johti tutkimusta yhdessä Edgar Meyhoferin kanssa.

Entuudestaan alalla tunnetaan laserjäähdytys fotonisena jäähdytystekniikkana. Nyt tutkijat hyödynsivät lämpösäteilyn kemiallista potentiaalia.

”Vielä nykyään monet katsovat, että säteilyn kemiallinen potentiaali on nolla”, Meyhofer sanoi. ”Mutta teoreettinen työ, joka palaa 1980-luvulle, viittaa siihen, että tietyissä olosuhteissa näin ei ole.”

Esimerkiksi akun kemiallinen potentiaali ajaa sähkövirtaa. Akun sisällä metalli-ionit haluavat virrata toiselle puolelle, koska siten ne voivat päästä eroon kemiallisesta potentiaalista energiasta, jota käytämme sitten sähkönä. Sähkömagneettisella säteilyllä, mukaan lukien näkyvä valo ja infrapuna lämpösäteily, ei tyypillisesti ole tällaista potentiaalia.

”Lämpösäteilylle yleensä intensiteetti riippuu vain lämpötilasta, mutta meillä on todellakin ylimääräinen nuppi tämän säteilyn hallitsemiseksi, mikä tekee mahdolliseksi jäähdytyksen,” totea tutkija Linxiao Zhu.

Tämä nuppi on sähköinen. Teoriassa infrapuna-ledin positiivisten ja negatiivisten sähköliitäntöjen kääntäminen ei vain estä sitä emittoimasta valoa, vaan se todella tukahduttaa lämpösäteilyä, jota sen pitäisi tuottaa vain siksi, että se on huoneenlämmössä. Käänteinen ledi käyttäytyy kuin se olisi alhaisemmassa lämpötilassa.

Kuitenkin tämän jäähdytyksen mittaaminen on vaikeaa. Saadakseen tarpeeksi infrapunavaloa kulkemaan esineestä lediin, näiden kahden on oltava erittäin lähellä toisiaan - vähemmän kuin yksi infrapunavalon aallonpituus.

Erikoisjärjestelyin ja pienen fotodiodiin sijoitetun kalorimetrin avulla tutkijat osoittivat, että käännetty ledi alkaa toimia hyvin matalan lämpötilan kohteena ja absorboiden fotoneja kalorimetristä. Samalla rako estää lämmön kulkeutumisen takaisin kalorimetriin johtumisen kautta.

Tiimi osoitti jäähdytyksen olevan 6 wattia neliömetriä kohden. Teoreettisesti tämä vaikutus voisi tuottaa jäähdytystä, joka vastaa 1000 wattia neliömetriä kohden.

Tämän uuden lähestymistavan tehokkuuden ja jäähdytysnopeuden parannuksella tutkijatiimi näkee ilmiön keinona siirtää nopeasti lämpöä pois erilaisten laitteiden mikroprosessoreista.

Aiheesta aiemmin:

Yllätys lämmönsiirrossa voi johtaa lämpötransistoreihin

Lämmönhallintaa atomitasolla