Un LED con electrodos invertidos para enfriar dispositivos electrónicos

Importantes avances de la Universidad de Michigan permitirán enfriar dispositivos a través de un LED con electrodos invertidos

Linxiao Zhu muestra la plataforma experimental que albergaba el calorímetro y el fotodiodo. Imagen: Joseph Xu

“Hemos demostrado un nuevo método del uso de fotones para enfriar dispositivos ”, dijo Pramod Reddy, co-director del proyecto junto con Edgar Meyhofer, ambos profesores de ingeniería mecánica.

Los investigadores aprovecharon el potencial químico de la radiación térmica, un concepto que se usa con mayor frecuencia para explicar el funcionamiento de una batería. «Incluso hoy en día, muchos asumen que el potencial químico de la radiación es cero», dijo Meyhofer. «Pero el trabajo teórico 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 esta, los iones metálicos quieren fluir hacia el otro lado porque “quieren” deshacerse de algo de energía potencial química, misma que se utiliza como electricidad. La radiación electromagnética, incluida la luz visible y la radiación térmica infrarroja, por lo general no tiene este tipo de potencial.

«Regularmente, para la radiación térmica, la intensidad solo depende de la temperatura, pero en realidad tenemos una aplicación adicional para controlar esta radiación, lo que hace posible el enfriamiento que investigamos», dijo Linxiao Zhu, investigador en ingeniería mecánica y autor principal del estudio.

Esta aplicación es eléctrica. En teoría, invertir 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.

“Con este truco de polarización inversa, el LED 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 extremadamente juntos, a menos de 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.

Cualquier objeto que esté a temperatura ambiente está emitiendo luz. «Una cámara de visión nocturna está básicamente 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 watts por m². Teóricamente, este efecto podría producir un enfriamiento equivalente a 1,000 watts por m² o alrededor del poder de la luz solar sobre la superficie de la Tierra.

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

El equipo de U-M hizo un calorímetro con un área de detección de 0,08 mm de ancho, para mostrar que un fotodiodo infrarrojo que funciona con electrodos invertidos se comportó como si estuviera a una temperatura más baja y enfrió el calorímetro. Imagen: Linxiao Zhu.

FUENTES 

Running an LED in reverse could cool future computers. Michigan News

Near-field photonic cooling through control of the chemical potential of photons. Nature

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