LEDs conectados al revés podrían enfriar las computadoras del futuro

En un hallazgo que va en contra de un supuesto común en física, los investigadores de la Universidad de Michigan conectaron un diodo emisor de luz (LED) con sus electrodos invertidos para enfriar otro dispositivo a solo nanómetros de distancia.

El equipo de la UM modificó un fotodiodo infrarrojo del tamaño de un grano de arroz, que se muestra en esta imagen de microscopio electrónico. Alisaron su superficie para que pudieran colocarla cerca de un calorímetro hecho a medida, solo 55 nanómetros (0,000055 milímetros) entre ellos. Las mediciones del calorímetro mostraron que el fotodiodo, cuando se conecta con los electrodos invertidos, se comportaba como si estuviera a una temperatura más baja y enfriaba el calorímetro

El enfoque podría llevar a una nueva tecnología de refrigeración de estado sólido para microprocesadores futuros, que tendrá tantos transistores empaquetados en un espacio pequeño que los métodos actuales no pueden eliminar el calor lo suficientemente rápido.

«Hemos demostrado un segundo método para usar los fotones para enfriar los dispositivos», dijo Pramod Reddy, quien dirigió el trabajo junto con Edgar Meyhofer, ambos profesores de ingeniería mecánica.

El primero, conocido en el campo como el enfriamiento por láser, se basa en el trabajo fundacional de Arthur Ashkin, quien compartió el Premio Nobel de Física en 2018.

Los investigadores aprovecharon el potencial químico de la radiación térmica, un concepto que se usa más comúnmente para explicar, por ejemplo, cómo funciona una batería.

«Incluso hoy, muchos asumen que el potencial químico de la radiación es cero», dijo Meyhofer. «Pero el trabajo teórico que se remonta a la década de 1980 sugiere que bajo ciertas condiciones, este no es el caso».

El potencial químico en una batería, por ejemplo, impulsa una corriente eléctrica cuando se coloca en un dispositivo. Dentro de la batería, los iones metálicos quieren fluir al otro lado porque pueden deshacerse de parte de la energía (energía potencial química) y nosotros utilizamos esa energía como electricidad. La radiación electromagnética, incluida la luz visible y la radiación térmica infrarroja, por lo general no tiene este tipo de potencial.

«Por lo general, para la radiación térmica, la intensidad solo depende de la temperatura, pero en realidad tenemos un interruptor adicional para controlar esta radiación, lo que hace posible el enfriamiento que investigamos», dijo Linxiao Zhu, investigadora en ingeniería mecánica y autora principal del trabajo de investigación.

Ese interruptor es eléctrico. En teoría, revertir las conexiones eléctricas positivas y negativas en un LED infrarrojo no solo evitará que emita luz, sino que suprimirá la radiación térmica que debería estar produciendo, solo porque está a temperatura ambiente.

«El LED, con este truco de polarización inversa, se comporta como si estuviera a una temperatura más baja», dijo Reddy.

Sin embargo, medir este enfriamiento, y probar que algo interesante sucedió, es terriblemente complicado.

Para obtener suficiente luz infrarroja para que fluya desde un objeto al LED, los dos tendrían que estar muy juntos, menos que una sola longitud de onda de luz infrarroja. Esto es necesario para aprovechar los efectos de «campo cercano» o «acoplamiento evanescente», que permiten que más fotones infrarrojos, o partículas de luz, crucen desde el objeto para dentro del LED.

Reddy y el equipo de Meyhofer tenían una ventaja, porque ya habían estado calentando y enfriando dispositivos a nanoescala, organizándolos de modo que estuvieran separados solo por unas pocas decenas de nanómetros, o menos de una milésima del grosor de un cabello. En esta proximidad, un fotón que no habría escapado del objeto a enfriar puede pasar al LED, casi como si no existiera la brecha entre ellos. Y el equipo tuvo acceso a un laboratorio de vibraciones ultra bajas donde las mediciones de objetos separados por nanómetros se vuelven factibles porque las vibraciones, como las de alguien caminando en el edificio, se reducen drásticamente.

El grupo probó el principio construyendo un calorímetro minúsculo, que es un dispositivo que mide los cambios en la energía, y colocándolo junto a un pequeño LED del tamaño de un grano de arroz. Estos dos emitían y recibían fotones térmicos entre sí y de otras partes de sus entornos.

«Cualquier objeto que se encuentre a temperatura ambiente está emitiendo luz. Una cámara de visión nocturna, básicamente, está capturando la luz infrarroja que proviene de un cuerpo cálido», dijo Meyhofer.

Pero una vez que el LED fue polarizado en inversa, comenzó a actuar como un objeto de muy baja temperatura, absorbiendo fotones del calorímetro. Al mismo tiempo, la brecha evita que el calor vuelva al calorímetro por medio de conducción, lo que produce un efecto de enfriamiento.

El equipo demostró un enfriamiento de 6 vatios por metro cuadrado. Teóricamente, este efecto podría producir un enfriamiento equivalente a 1.000 vatios por metro cuadrado, o alrededor del poder de la luz solar sobre la superficie de la Tierra.




Esto podría llegar a ser importante para los futuros teléfonos inteligentes, y otras computadoras. Con más potencia de cálculo en dispositivos cada vez más pequeños, la eliminación del calor del microprocesador está comenzando a limitar la cantidad de energía que se puede comprimir en un espacio determinado.

Con las mejoras en la eficiencia y las velocidades de enfriamiento de este nuevo abordaje, el equipo prevé este fenómeno como una forma de quitar rápidamente el calor de los microprocesadores en los dispositivos. Incluso podría hacer frente a los maltratos sufridos por los teléfonos inteligentes, ya que los espaciadores a nanoescala podrían proporcionar el espacio entre el microprocesador y el LED.

La investigación se publicó en la revista Nature el 14 de febrero de 2019, titulada «Enfriamiento fotónico de campo cercano mediante el control del potencial químico de los fotones» («Near-field photonic cooling through control of the chemical potential of photons.»).

Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía y la Oficina de Investigación del Ejército. Los dispositivos se fabricaron en la Instalación de Nanofabricación Lurie de la UM. Meyhofer también es profesor de ingeniería biomédica. Reddy también es profesor de ciencia de materiales e ingeniería.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por la Universidad de Michigan.

Referencia de la publicación:

Linxiao Zhu, Anthony Fiorino, Dakotah Thompson, Rohith Mittapally, Edgar Meyhofer y Pramod Reddy. Near-field photonic cooling through control of the chemical potential of photons. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0918-8

Universidad de Michigan. ScienceDaily, febrero de 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190213132326.htm.


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