Un LED en polarización inversa para enfriar dispositivos electrónicos

En un hallazgo contrario a un supuesto común en física, investigadores activaron un diodo emisor de luz (LED) con electrodos invertidos para enfriar otro dispositivo a nanómetros de distancia.Este logro de la Universidad de Michigan podría llevar a una nueva tecnología de refrigeración de estado sólido para microprocesadores futuros, con tal cantidad de transistores comprimidos en un espacio tan pequeño que los métodos actuales no pueden eliminar el calor lo suficientemente rápido.»Hemos demostrado un segundo método para usar los fotones para enfriar los dispositivos», dijo Pramod Reddy, quien dirigió el trabajo junto con Edgar Meyhofer, ambos profesores de ingeniería mecánica.El primero, conocido como enfriamiento por láser, se basa en el trabajo fundacional de Arthur Ashkin, quien compartió el Premio Nobel de Física en 2018.Los 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 usamos esa energía como electricidad. La radiación electromagnética, incluida la luz visible y la radiación térmica infrarroja, por lo general 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, investigador en ingeniería mecánica y autor principal de la investigación.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. Sin embargo, medir este enfriamiento, y probar que algo interesante sucedió, es horriblemente complicado.Para obtener suficiente luz infrarroja para que fluya desde un objeto al LED, los dos tendrían que estar muy 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.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.El grupo probó el principio construyendo un calorímetro minúsculo ( en la imagen ), 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.

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