Ciemność rodzi zimno: jak zrobić kwantowy lodówka

0
499


Fot. Getty Images

Fizyki używane kwantowe właściwości diod led, aby wykonać mikroskopijny lodówka, który można wykorzystać w elektronice

Naukowcy z Uniwersytetu w Michigan — Pramod Reddy, Edgar Мейхофер i ich koledzy zaproponowali elegancki sposób wykorzystania kwantowych efektów do generowania zimna. W podstawie leży powszechne urządzenia — dioda (LED). O tym fizyki informują w swoim komunikacie w “Nature”.

Prawa mechaniki kwantowej są powszechnie stosowane w celu uzyskania сверхнизких temperatur. Do tego stosuje się światło lasera. Zasada — jeśli uproszczony zarys go z pozycji klasycznej fizyki — polega na tym, że gdy atom w swoim ruchu cieplnym leci na spotkanie фотону, może wchłonąć go i zmniejszyć swoją prędkość. Przy tej częstotliwości padającego światła można dobrać w taki sposób, aby absorpcja fotonu “dodatkowe”, czyli z przyspieszeniem atomu, było mniej prawdopodobne. Ta zasada stosuje się do chłodzenia gazu — na przykład atomów rubidu — do temperatur, bardzo zbliżonych do zera absolutnego, rzędu jednej milionowej części stopnia.

Jednak zespół badaczy z Michigan wzięła na warsztat inny kwantowy efekt. W ich doświadczeniach substancja nie chłodzi światłem, a jego brakiem, czyli ciemności. Ta metoda ma zastosowanie do gazu, a do bryły i może być stosowany do chłodzenia elementów mikroelektroniki.

W podstawie leży led — półprzewodnik, w stanie emitować światło, gdy przez niego w określonym kierunku przepuszcza się prąd elektryczny. Zasada diody led polega na tym, że napięcie elektryczne przyspiesza elektrony, jakby zmuszając ich skakać z energetycznego narciarskich. “Spada” w dół, elektron traci energię uzyskaną od pola elektrycznego, odrzuca ją w postaci fotonów świetlnych.

Dla świata zewnętrznego led wydaje się jakby zimniej, niż jest w rzeczywistości.

Ale co będzie, jeśli dołożyć do diody led napięcie w przeciwnym kierunku? Jak i wszystkie diody, ten półprzewodnik działa tylko w jedną stronę. Jeśli zmienić biegunowość, to efekt w pewnym sensie odwrotna: zamiast generować fotony świetlne, dioda led przestaje produkować nawet te fotony, które nakazuje mu fizyka, czyli podczerwień fotony promieniowania cieplnego. Tak więc, dla świata zewnętrznego wydaje się jakby zimniej, niż jest w rzeczywistości. I nie jest to tylko złudzenie, ponieważ wszystkie ciała dążą do cieplne równowagi, półprzewodnik zaczyna pochłaniać ciepło od swojego bezpośredniego otoczenia. “Jeśli wziąć ciepły przedmiot i zimny przedmiot, może pojawić się wymianę ciepła na drodze promieniowania” — wyjaśnia Pramod Reddy. Prawda, tu już wchodzą w życie kwantowe dziwactwa: фотонам będzie musiał “туннелироваться” przez energetyczny barierę, a to oznacza, охлаждаемое ciało musi być jak najbliżej полупроводнику.

Fizyki sprawdza się ten efekt, zamieszczając dioda na odległości rzędu dziesiątych nanometra od калориметра, który dokonuje pomiaru transmisji ciepła. Dioda strawił od калориметра więcej fotonów niż przekazał mu, i w rezultacie temperatura spadła o jedną десятитысячную stopni. Efekt wydaje się być bardzo niewielkie, jednak obliczenie pokazuje, że przepływ ciepła od калориметра do крохотному diody led wyniósł 6 watów na metr kwadratowy. Dla porównania, nasza planeta otrzymuje od Słońca około 1000 watów na metr kwadratowy, czyli różnica wynosi zaledwie około dwóch rzędów wielkości. Według autorów pracy, ten podział można pokonać, zmniejszając odstęp między diodami led i охлаждаемым ciałem.

“Forbes” poprosił o komentarz te eksperymenty Aleksieja Fiodorowa, kierownika grupy w Rosyjskim kwantowej centrum. “Zwykle do chłodzenia wykorzystują lasery, — powiedział Aleksiej. — Ta technika jest alternatywnym i opiera się na kontroli chemicznej potencjału fotonów — tworzy się specjalne urządzenie do tego. Jak piszą autorzy, laserowe chłodzenie to nie zastąpi, ponieważ nie pozwoli na uzyskanie tak niskich temperatur (микрокельвины i нанокельвины). Ale do 60 kelvina schłodzić można, i jest to przydatne dla elektroniki — na przykład, dla dobrych однофотонных detektorów. Ta praca jest wartościowa, co sprawdzić w praktyce możliwość tworzenia takich urządzeń. Do tego artykułu były tylko teoretyczne sugestie”.

Podobnego zdania jest fizyk-teoretyk z Kalifornii Zhiwei Шаньхуэй (Shanhui Fan), który wcześniej przewidzieć i obliczyć obserwowany efekt za pomocą symulacji komputerowej. On widzi w tym badaniu duży potencjał do zastosowania w микроэлектронике.