“电极反转”的LED：为未来计算机提供新冷却方案！

2019 年 2 月 18 日 IntelligentThings

导读

近日，美国密歇根大学的研究人员们采用一个“电极反转运行”的发光二极管，冷却另一个距离仅为纳米级的设备。

背景

如果我们长时间、不间断地用手机、电脑等电子产品玩游戏或者工作时，就会发现这些电子产品变得“发热”甚至“发烫”。电子产品变得过热之后，不仅会出现卡顿、死机、蓝屏、重启等现象，而且会影响其内部元器件的性能和寿命，有时候会导致处理器错误甚至芯片损坏。

过热的芯片（图片来源：维基百科）

“发热”一直是影响电子产品的关键问题之一。所以，如何冷却这些变热的电子产品，或者说为它们找到更好的散热方法，一直是世界各国的科学家们所探索的目标。一般来说，我们常见的电子产品散热方法包括：风冷与液冷，可是这些冷却技术往往需要占据大量的空间，显得不够紧凑，从而会影响电子产品的进一步小型化。

风冷（图片来源：维基百科）

液冷（图片来源：维基百科）

创新

今天，笔者要为大家介绍一种更紧凑的新型固态冷却技术。

近日，美国密歇根大学的研究人员们取得一项新研究成果，它竟然与物理学普通假设相反。他们利用了一个“电极反转”的发光二极管（LED），冷却另一个距离仅为纳米级的设备。

该校机械工程系教授 Pramod Reddy 与 Edgar Meyhofer 共同领导了这项研究。这项研究于2月14日发表在《自然》期刊上。

技术

该方法有望为未来的微处理器带来新型固态冷却技术。微处理器包含了许多封装在狭小空间中的晶体管，而现有的技术无法足够快速地为它们散热。

Reddy 表示：“我们演示了第二种采用光子冷却设备的方法。”第一种方法：激光冷却，是基于2018年诺贝尔物理学奖获得者 Arthur Ashkin 的基础工作。

取而代之的是，研究人员们利用了热辐射的化学势（举例来说，这个概念更常用于解释电池如何工作）。Meyhofer 表示：“即使在今天，许多人都认为辐射的化学势为零。但是追溯到上世纪八十年代，那时的理论研究表明，在某些条件下，情况并非如此。”

当放入某一设备中时，电池中的化学势会驱动电流。在电池内部，金属离子想要流向另一端，因为这样它们可以释放一些能量（化学势能），而我们将这种能量用作发电。电磁辐射，包括可见光和红外线热辐射，通常不具有这种势能。

机械工程系研究员、这项研究领导作者 Linxiao Zhu 表示：“通常对于热辐射来说，强度只依赖于温度，但是实际上我们还有另一种控制这种辐射的方法，它使得我们研究的冷却成为可能。”

这种方法是“电”。理论上，在红外线LED上反转正负电气连接，不仅不会阻止它发光，实际上还会抑制它原本应该产生的热辐射，因为这是在室温条件下进行的。

Reddy 表示：“LED，经过这种反转偏置的方法处理，表现得就像处于较低的温度。”然而，测量这种冷却并证明发生了令人感兴趣的事情，是非常复杂的过程。

为了让足量的红外线从某个物体进入LED，这个物体必须与LED离得非常近，距离低于红外线的单个波长。这就需要采用“近场”或者“倏逝波耦合”效应，这样才能使得更多的红外线光子（光粒子），穿过待冷却的物体进入LED中。

Reddy 和 Meyhofer 的团队在这方面具有一定优势，因为他们过去一直在加热和冷却纳米器件，将它们放置到只有几十纳米的距离，这个距离不足头发丝宽度的千分之一。在如此紧密的距离下，一个原本不会从待冷却的物体中逃脱的光子，就会进入LED，好像它们之间几乎没有空隙存在。团队使用了超低振动实验室，在这个实验室中可以相隔距离为纳米级的物体，原因在于诸如建筑物中其他人的脚步声之类的振动会大大减弱。

下图所示：Linxiao Zhu 展示了具有热量计和光电二极管的实验平台。这个系统可以抑制房间和建筑中的振动，稳定地保持两个纳米物体之间相距55纳米。

（图片来源：Joseph Xu）

团队通过构建一个微型热量计证明了这一原理。这个微型热量计，是一种可测量能量变化的设备，并紧靠着尺寸如同一粒米的微型LED放置。这两个设备持续地发射和接收来自彼此以及环境中其他地方的热光子。

密歇根大学的团队修改后的尺寸如同一粒米的近红外光电二极管的电子显微镜图片。（图片来源：Linxiao Zhu）

密歇根大学的团队制造热量计的电子显微镜图片，它可以感知面积可跨越80纳米。（图片来源：Linxiao Zhu）

Meyhofer 表示：“室温下的任何物体都会发光。夜视相机基本上就是在捕捉来自温暖物体的红外光。”但是一旦LED被反转偏置，它开始成为一个非常低温的物体，吸收来自热量计的光子。同时，空隙防止了热量通过传导返回热量计，从而产生冷却效果。

价值

团队演示了每平方米6瓦特的冷却效果。理论上来说，这种效应可以产生相当于每平方1000瓦特（大约等于地球表面太阳光的功率）的冷却效果。

这项技术对于未来的智能手机和其他计算机设备来说非常重要。随着在越来越小的设备中蕴藏着越来越强大的计算功率，处理器散热能力开始限制给定空间中可容纳的计算功率。

随着这种方法的效率以及冷却速率的提升，科学家们希望这种现象成为一种从设备中的微处理器快速吸收热量的方法。因为纳米尺度的间隔物能在微处理器和LED之间提供隔离，所以这种方法甚至可以应用到智能手机中，改善其散热。

关键字

散热、LED、智能手机

参考资料

【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