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Enfriar dispositivos con láser y LED

Una reciente investigación ha demostrado la posibilidad de enfriar dispositivos utilizando láser y los fotones de un LED. Algo que parece contradictorio. En un hallazgo que va en contra de un supuesto común en física, los investigadores de la Universidad de Michigan ejecutaron un diodo emisor de luz (LED) con electrodos invertidos para enfriar otro dispositivo a solo nanómetros de distancia.

El enfoque podría llevar a una nueva tecnología de refrigeración de estado sólido para microprocesadores futuros, que tendrían tantos transistores empaquetados en un espacio pequeño, que los métodos actuales no pueden eliminar el calor lo suficientemente rápido. Pramod Reddy, quien dirigió el trabajo junto con Edgar Meyhofer, ambos profesores de ingeniería mecánica han demostrado un segundo método para usar los fotones para enfriar los dispositivos.

El primero, conocido en el campo como enfriamiento por láser, se basa en el trabajo fundacional de Arthur Ashkin, quien compartió el Premio Nobel de Física en 2018. Estos investigadores, en cambio, 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 hacia el otro lado porque pueden deshacerse de algo de energía (energía potencial química) y se usa esa energía como electricidad. La radiación electromagnética, incluida la luz visible y la radiación térmica infrarroja, normalmente 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 botón adicional para controlar esta radiación, lo que hace posible el enfriamiento que investigamos”, dijo Linxiao Zhu, investigadora en ingeniería mecánica y autora principal de la investigación. Ese pomo es eléctrico y, 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.

Medir este enfriamiento es extremadamente complicado

Para obtener suficiente luz infrarroja para que fluya desde un objeto al LED, los dos tendrían que estar extremadamente 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 enfriarse al LED.

Enfriar dispositivos con LED
El equipo de UM hizo un calorímetro con un área de detección de 80 micrómetros (0,08 milímetros) de ancho, como se muestra en esta imagen de microscopio electrónico. Utilizaron el calorímetro para mostrar que un fotodiodo infrarrojo que funciona con electrodos invertidos se comportó como si estuviera a una temperatura más baja y enfrió el calorímetro. Crédito de la imagen: Linxiao Zhu.

Reddy y el equipo de Meyhofer tenían una ventaja porque ya habían estado calentando y enfriando los dispositivos a nanoescala, organizándolos de modo que estuvieran separados solo por unas pocas decenas de nanómetros, o menos de una milésima de la anchura de un cabello. En esta proximidad, un fotón que no habría escapado al 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 pasos en el edificio, se reducen drásticamente.

Enfriar dispositivos con LED
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 ejecuta con electrodos invertidos, se comportó como si estuviera a una temperatura más baja y enfrió el calorímetro. Crédito de la imagen: Linxiao Zhu.

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 en 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 tiene polarización 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 a través de la conducción, lo que produce un efecto de enfriamiento .

El equipo demostró 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 enfoque, el equipo prevé este fenómeno como una forma de alejar rápidamente el calor de los microprocesadores en los dispositivos. Incluso podría hacer frente a los abusos sufridos por los teléfonos inteligentes, ya que los espaciadores a nanoescala podrían proporcionar la separación entre el microprocesador y el LED.

Enfriar dispositivos con LED
Linxiao Zhu muestra la plataforma experimental que albergaba el calorímetro y el fotodiodo. Este sistema puede amortiguar las vibraciones de la habitación y el edificio, manteniendo los dos objetos a nanoescala a 55 nanómetros (0,000055 milímetros). Crédito de la imagen: Joseph Xu

 

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”.

Fuente: Universidad de Michigan

La interferencia como nuevo método para enfriar dispositivos cuánticos

Los físicos teóricos proponen utilizar la interferencia negativa para controlar el flujo de calor en dispositivos cuánticos. Su estudio ha sido publicado en Physical Review Letters .

Las partes cuánticas de la computadora son sensibles y deben enfriarse a temperaturas muy bajas. Su tamaño los hace particularmente susceptibles a los aumentos de temperatura del ruido térmico en el entorno circundante y el causado por otros componentes cercanos. El Dr. Shabir Barzanjeh, postdoctorado en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (IST Austria), junto con el Dr. André Xuereb de la Universidad de Malta y Matteo Aquilina del Centro Aeroespacial Nacional de Malta, ha propuesto un método novedoso para mantener frescos los dispositivos cuánticos. Su enfoque teórico se basa en la interferencia cuántica.

Normalmente, si se coloca un objeto más caliente junto a uno más frío, el calor solo puede fluir desde el objeto más caliente hacia el más frío.

Por lo tanto, enfriar un objeto que ya está más frío que su entorno requiere energía. Un nuevo método para enfriar los elementos de los dispositivos cuánticos, como los qubits, los diminutos bloques de construcción de las computadoras cuánticas, ahora fueprobado teóricamente por un grupo de físicos.

“Esencialmente, el dispositivo que proponemos funciona como un refrigerador. Pero aquí, estamos utilizando un principio mecánico cuántico para realizarlo”, explica Shabir Barzanjeh, el autor principal del estudio y postdoctorado en el grupo de investigación del profesor Johannes Fink. En su artículo, estudiaron cómo fluye el ruido térmico a través de los dispositivos cuánticos e idearon un método que puede evitar que el flujo de calor caliente el dispositivo cuántico sensible. Utilizaron un disipador de calor conectado a ambos dispositivos, lo que demuestra que es posible controlar su flujo de calor de manera que cancela el calor proveniente del objeto caliente directamente al frío a través de una interferencia cuántica especial .

“Hasta ahora, los investigadores se han centrado en controlar la señal, pero aquí estudiamos el ruido. Esto es bastante diferente, porque una señal es coherente y el ruido no lo es”.

Con respecto a la implementación práctica del mecanismo que agrega el cambio de fase al ruido térmico, Shabir Barzanjeh tiene algunas ideas, que incluyen un objeto mecánico que vibra o presión de radiación para controlar la oscilación. “Ahora es el momento de que los experimentadores verifiquen la teoría”, dice.

Fuente: IST Austria

Más información: Shabir Barzanjeh et al, Manipulación del flujo de ruido térmico en Quantum Devices, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.120.060601