研究发现电极被反转的发光二极管可能会为未来的微处理器提供新的固态冷却技术

在一项与物理学共同假设背道而驰的发现中，密歇根大学的研究人员运行了一个电极被反转的发光二极管（LED），以便冷却另一个距离只有纳米远的设备。

这种方法可能会为未来的微处理器提供新的固态冷却技术，未来的微处理器将有众多晶体管封装在一个很小的空间内，而目前的方法不能尽快地去除该设备内部的热量。

机械工程教授Pramod Reddy（该工作的共同带领人，另一人为Edgar Meyhofer）表示：“我们已经展示了使用光子来进行设备冷却的第二种方法。”该领域最早的方法是激光冷却法，是根据Arthur Ashkin的基础性工作进行的，Arthur Ashkin获得了2018年诺贝尔物理学奖的一半奖金。

Pramod Reddy带领的研究人员利用了热辐射的化学潜力 - 这一概念更常用于解释电池的工作原理。

Meyhofer表示：“即使在今天，许多人都认为辐射的化学势是零。但是追溯到20世纪80年代的理论工作表明，在某些情况下，情况并非如此。”例如，电池中的化学势可以在放入设备时驱动电流。在电池内部，金属离子会流向另一侧，因为它们可以摆脱一些化学势能 - 我们将这些能量用作电力。而包括可见光和红外热辐射的电磁辐射，通常不具有这种电势。

机械工程研究员、研究的主要作者Linxiao Zhu表示：“对于热辐射而言，辐射强度通常只取决于温度，但我们实际上还有一个额外的旋钮来控制这种辐射，这使得我们研究的冷却方法成为可能。”而这个旋钮是电动的。理论上，逆转红外LED上的正负电连接不仅会阻止其发光，而且还会抑制它原本应该产生的热辐射，因为它是在室温下进行的。

Reddy表示：“进行了这种反向运转的LED，会表现得好像处于较低的温度。”但是，对这种冷却进行测量，并进行证明的过程是非常复杂的。

为了从某物体获得足够的红外光而进入LED，两者必须非常接近 - 距离小于单一波长的红外光。这对于利用“近场”或“渐逝耦合”效应是非常必要的，这样才能使得更多的红外光子或光粒子能够从待冷却的物体穿过进入LED中。

Reddy和Meyhofer的团队目前在这方面有一定的优势，因为他们已经对纳米级设备进行了加热和冷却，并将它们安排到只有几十纳米的间隔 - 或不到千分之一的头发宽度。在这种近距离下，一个不会从待冷却物体逃逸的光子可以进入LED，就好像它们之间的间隙不存在一样。该团队还可以利用一个超低振动实验室，在那里可以测量那些被纳米分隔的物体，因为那些包括建筑物中其他人的脚步声等振动，会大大减少。

该小组通过构建一个小型量热计证明了这一原则，这是一种测量能量变化的装置，并将其放在一个大小与一粒米大小相当的微型LED旁边。这两者随后会不断发射和接收来自彼此以及环境中其他地方的热光子。

Meyhofer指出：“任何在室温下的物体都会发光。而夜视摄像机可以捕捉来自温暖物体的红外光。”但是一旦LED被反向偏置，它就会开始作为一个非常低温的物体，吸收热量计的光子。同时，间隙会防止热量通过传导返回热量计，从而产生冷却效果。

该团队展示了每平方米6瓦的冷却效果。从理论上讲，这种效应可以产生相当于每平方米1000瓦的冷却，或者相当于地球表面日照的能量。

对于未来的智能手机和其他计算机而言，这种发现或许会非常重要。随着越来越小的设备开始具有更强的计算能力，从微处理器中移除热量开始限制可以挤入给定空间的功率。而随着这种新方法的效率和冷却速率的提高，该团队期待这种现象可以成为一种快速从设备中的微处理器吸收热量的方法，其甚至可以防止智能手机受到伤害，因为纳米尺度的垫片可以充分将微处理器和LED实现分割。