「電極反轉」的LED：為未來計算機提供新冷卻方案！

導讀

近日，美國密歇根大學的研究人員們採用一個「電極反轉運行」的發光二極體，冷卻另一個距離僅為納米級的設備。

背景

如果我們長時間、不間斷地用手機、電腦等電子產品玩遊戲或者工作時，就會發現這些電子產品變得「發熱」甚至「發燙」。電子產品變得過熱之後，不僅會出現卡頓、死機、藍屏、重啟等現象，而且會影響其內部元器件的性能和壽命，有時候會導致處理器錯誤甚至晶元損壞。

打開今日頭條，查看更多圖片

過熱的晶元（圖片來源：維基百科）

「發熱」一直是影響電子產品的關鍵問題之一。所以，如何冷卻這些變熱的電子產品，或者說為它們找到更好的散熱方法，一直是世界各國的科學家們所探索的目標。一般來說，我們常見的電子產品散熱方法包括：風冷與液冷，可是這些冷卻技術往往需要佔據大量的空間，顯得不夠緊湊，從而會影響電子產品的進一步小型化。

風冷（圖片來源：維基百科）

液冷（圖片來源：維基百科）

創新

今天，筆者要為大家介紹一種更緊湊的新型固態冷卻技術。

近日，美國密歇根大學的研究人員們取得一項新研究成果，它竟然與物理學普通假設相反。他們利用了一個「電極反轉」的發光二極體（LED），冷卻另一個距離僅為納米級的設備。

該校機械工程系教授 Pramod Reddy 與 Edgar Meyhofer 共同領導了這項研究。這項研究於2月14日發表在《自然》期刊上。

技術

該方法有望為未來的微處理器帶來新型固態冷卻技術。微處理器包含了許多封裝在狹小空間中的晶體管，而現有的技術無法足夠快速地為它們散熱。

Reddy 表示：「我們演示了第二種採用光子冷卻設備的方法。」第一種方法：激光冷卻，是基於2018年諾貝爾物理學獎獲得者 Arthur Ashkin 的基礎工作。

取而代之的是，研究人員們利用了熱輻射的化學勢（舉例來說，這個概念更常用於解釋電池如何工作）。Meyhofer 表示：「即使在今天，許多人都認為輻射的化學勢為零。但是追溯到上世紀八十年代，那時的理論研究表明，在某些條件下，情況並非如此。」

當放入某一設備中時，電池中的化學勢會驅動電流。在電池內部，金屬離子想要流向另一端，因為這樣它們可以釋放一些能量（化學勢能），而我們將這種能量用作發電。電磁輻射，包括可見光和紅外線熱輻射，通常不具有這種勢能。

機械工程系研究員、這項研究領導作者 Linxiao Zhu 表示：「通常對於熱輻射來說，強度只依賴於溫度，但是實際上我們還有另一種控制這種輻射的方法，它使得我們研究的冷卻成為可能。」

這種方法是「電」。理論上，在紅外線LED上反轉正負電氣連接，不僅不會阻止它發光，實際上還會抑制它原本應該產生的熱輻射，因為這是在室溫條件下進行的。

Reddy 表示：「LED，經過這種反轉偏置的方法處理，表現得就像處於較低的溫度。」然而，測量這種冷卻並證明發生了令人感興趣的事情，是非常複雜的過程。

為了讓足量的紅外線從某個物體進入LED，這個物體必須與LED離得非常近，距離低於紅外線的單個波長。這就需要採用「近場」或者「倏逝波耦合」效應，這樣才能使得更多的紅外線光子（光粒子），穿過待冷卻的物體進入LED中。

Reddy 和 Meyhofer 的團隊在這方面具有一定優勢，因為他們過去一直在加熱和冷卻納米器件，將它們放置到只有幾十納米的距離，這個距離不足頭髮絲寬度的千分之一。在如此緊密的距離下，一個原本不會從待冷卻的物體中逃脫的光子，就會進入LED，好像它們之間幾乎沒有空隙存在。團隊使用了超低振動實驗室，在這個實驗室中可以相隔距離為納米級的物體，原因在於諸如建築物中其他人的腳步聲之類的振動會大大減弱。

下圖所示：Linxiao Zhu 展示了具有熱量計和光電二極體的實驗平台。這個系統可以抑制房間和建築中的振動，穩定地保持兩個納米物體之間相距55納米。

（圖片來源：Joseph Xu）

團隊通過構建一個微型熱量計證明了這一原理。這個微型熱量計，是一種可測量能量變化的設備，並緊靠著尺寸如同一粒米的微型LED放置。這兩個設備持續地發射和接收來自彼此以及環境中其他地方的熱光子。

下圖所示：密歇根大學的團隊修改後的尺寸如同一粒米的近紅外光電二極體的電子顯微鏡圖片。

（圖片來源：Linxiao Zhu）

下圖所示：密歇根大學的團隊製造熱量計的電子顯微鏡圖片，它可以感知面積可跨越80納米。

（圖片來源：Linxiao Zhu）

Meyhofer 表示：「室溫下的任何物體都會發光。夜視相機基本上就是在捕捉來自溫暖物體的紅外光。」但是一旦LED被反轉偏置，它開始成為一個非常低溫的物體，吸收來自熱量計的光子。同時，空隙防止了熱量通過傳導返回熱量計，從而產生冷卻效果。

價值

團隊演示了每平方米6瓦特的冷卻效果。理論上來說，這種效應可以產生相當於每平方1000瓦特（大約等於地球表面太陽光的功率）的冷卻效果。

這項技術對於未來的智能手機和其他計算機設備來說非常重要。隨著在越來越小的設備中蘊藏著越來越強大的計算功率，處理器散熱能力開始限制給定空間中可容納的計算功率。

隨著這種方法的效率以及冷卻速率的提升，科學家們希望這種現象成為一種從設備中的微處理器快速吸收熱量的方法。因為納米尺度的間隔物能在微處理器和LED之間提供隔離，所以這種方法甚至可以應用到智能手機中，改善其散熱。

關鍵字

散熱、LED、智能手機

參考資料

【1】https://news.umich.edu/running-an-led-in-reverse-could-cool-future-computers/

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

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！