En un hallazgo que va en contra de una suposición común en física, Investigadores de la Universidad de Michigan utilizaron un diodo emisor de luz (LED) con electrodos invertidos para enfriar otro dispositivo a solo nanómetros de distancia.

El enfoque podría conducir a una nueva tecnología de enfriamiento de estado sólido para futuros microprocesadores, 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 fotones para enfriar dispositivos, "dijo Pramod Reddy, quien codirigió el trabajo con Edgar Meyhofer, ambos profesores de ingeniería mecánica.

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

En cambio, 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, en algunas condiciones, Este no es el caso."

El potencial químico de 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 usamos esa energía como electricidad. 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 una perilla adicional para controlar esta radiación, lo que hace posible el enfriamiento que investigamos, "dijo Linxiao Zhu, becario de investigación en ingeniería mecánica y autor principal del trabajo.

Esa perilla es eléctrica. En teoria, invertir las conexiones eléctricas positivas y negativas en un LED infrarrojo no solo impedirá que emita luz, pero en realidad suprimirá la radiación térmica que debería producir solo porque está a temperatura ambiente.

"El LED, con este truco de sesgo inverso, se comporta como si estuviera a una temperatura más baja, "Dijo Reddy.

Sin embargo, medir este enfriamiento, y demostrar que sucedió algo interesante, es horriblemente complicado.

Para que fluya suficiente luz infrarroja de un objeto al LED, los dos tendrían que estar muy juntos, menos de una longitud de onda de luz infrarroja. Esto es necesario para aprovechar los efectos de "campo cercano" o "acoplamiento evanescente", que permiten más fotones infrarrojos, o partículas de luz, para cruzar del objeto a enfriar al LED.

El equipo de Reddy y Meyhofer tenía una ventaja porque ya habían estado calentando y enfriando dispositivos a nanoescala, colocándolos de modo que solo estuvieran separados por unas pocas decenas de nanómetros, o menos de una milésima del ancho de un cabello. En esta proximidad cercana, un fotón que no hubiera escapado del objeto a enfriar puede pasar al LED, casi como si la brecha entre ellos no existiera. Y el equipo tuvo acceso a un laboratorio de vibraciones ultrabajas donde las mediciones de objetos separados por nanómetros se vuelven factibles porque las vibraciones, como los de los pasos de otros en el edificio, se reducen drásticamente.

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

"Cualquier objeto que esté a temperatura ambiente emite luz. Una cámara de visión nocturna básicamente captura 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, el espacio evita que el calor regrese al calorímetro por conducción, resultando en un efecto refrescante.

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 sobre el poder de la luz solar en la superficie de la Tierra.

Esto podría resultar importante para futuros teléfonos inteligentes y otras computadoras. Con más potencia informática en dispositivos cada vez más pequeños, quitar el calor del microprocesador está comenzando a limitar la cantidad de energía que se puede exprimir en un espacio dado.

Con las mejoras de la eficiencia y las tasas de enfriamiento de este nuevo enfoque, el equipo visualiza este fenómeno como una forma de alejar rápidamente el calor de los microprocesadores en los dispositivos. Incluso podría hacer frente a los abusos que sufren los teléfonos inteligentes, ya que los espaciadores a nanoescala podrían proporcionar la separación entre el microprocesador y el LED.

La investigación se publicará en la revista Naturaleza el 14 de febrero, 2019, noble, "Enfriamiento fotónico de campo cercano mediante el control del potencial químico de los fotones".