Em uma descoberta que vai contra uma suposição comum na física, pesquisadores da Universidade de Michigan executaram um diodo emissor de luz (LED) com eletrodos invertidos para resfriar outro dispositivo a meros nanômetros de distância.

A abordagem pode levar a uma nova tecnologia de resfriamento de estado sólido para futuros microprocessadores, que terá tantos transistores compactados em um espaço pequeno que os métodos atuais não podem remover o calor com rapidez suficiente.

"Demonstramos um segundo método para usar fótons para resfriar dispositivos, "disse Pramod Reddy, que co-liderou o trabalho com Edgar Meyhofer, ambos professores de engenharia mecânica.

O primeiro - conhecido na área como resfriamento a laser - é baseado no trabalho fundamental de Arthur Ashkin, que dividiu o prêmio Nobel de Física em 2018.

Os pesquisadores, em vez disso, aproveitaram o potencial químico da radiação térmica, um conceito mais comumente usado para explicar, por exemplo, como funciona uma bateria.

"Ainda hoje, muitos assumem que o potencial químico da radiação é zero, "Meyhofer disse." Mas o trabalho teórico que remonta à década de 1980 sugere que, sob algumas condições, Este não é o caso."

O potencial químico em uma bateria, por exemplo, impulsiona uma corrente elétrica quando colocado em um dispositivo. Dentro da bateria, íons metálicos querem fluir para o outro lado porque podem se livrar de alguma energia - energia potencial química - e usamos essa energia como eletricidade. Radiação eletromagnética, incluindo luz visível e radiação térmica infravermelha, normalmente não tem esse tipo de potencial.

"Normalmente para radiação térmica, a intensidade depende apenas da temperatura, mas, na verdade, temos um botão adicional para controlar essa radiação, o que torna possível o resfriamento que investigamos, "disse Linxiao Zhu, bolsista de pesquisa em engenharia mecânica e autor principal do trabalho.

Esse botão é elétrico. Em teoria, inverter as conexões elétricas positivas e negativas em um LED infravermelho não apenas o impedirá de emitir luz, mas, na verdade, suprimirá a radiação térmica que deveria estar produzindo apenas porque está em temperatura ambiente.

"O LED, com este truque de polarização reversa, se comporta como se estivesse em uma temperatura mais baixa, "Reddy disse.

Contudo, medir esse resfriamento - e provar que algo interessante aconteceu - é terrivelmente complicado.

Para obter luz infravermelha suficiente para fluir de um objeto para o LED, os dois teriam de ser extremamente próximos - menos de um único comprimento de onda de luz infravermelha. Isso é necessário para tirar vantagem dos efeitos de "campo próximo" ou "acoplamento evanescente", que permitem mais fótons infravermelhos, ou partículas de luz, para passar do objeto a ser resfriado para o LED.

A equipe de Reddy e Meyhofer tinha uma vantagem porque já haviam aquecido e resfriado dispositivos em nanoescala, organizando-os de forma que estivessem separados por apenas algumas dezenas de nanômetros - ou menos que um milésimo da largura de um fio de cabelo. Nesta proximidade, um fóton que não teria escapado do objeto a ser resfriado pode passar para o LED, quase como se a lacuna entre eles não existisse. E a equipe teve acesso a um laboratório de vibração ultrabaixa, onde medições de objetos separados por nanômetros se tornam viáveis ​​porque as vibrações, como os passos de outras pessoas no prédio, são drasticamente reduzidos.

O grupo provou o princípio construindo um calorímetro minúsculo, que é um dispositivo que mede mudanças na energia, e colocá-lo ao lado de um minúsculo LED do tamanho de um grão de arroz. Esses dois estavam constantemente emitindo e recebendo fótons térmicos um do outro e em outras partes de seus ambientes.

"Qualquer objeto que está em temperatura ambiente está emitindo luz. Uma câmera de visão noturna basicamente captura a luz infravermelha que vem de um corpo quente, "Meyhofer disse.

Mas, uma vez que o LED é polarizado reversamente, começou a atuar como um objeto de temperatura muito baixa, absorvendo fótons do calorímetro. Ao mesmo tempo, a lacuna impede que o calor viaje de volta para o calorímetro por meio de condução, resultando em um efeito de resfriamento.

A equipe demonstrou resfriamento de 6 watts por metro quadrado. Teoricamente, este efeito pode produzir resfriamento equivalente a 1, 000 watts por metro quadrado, ou sobre o poder do sol na superfície da Terra.

Isso pode ser importante para futuros smartphones e outros computadores. Com mais poder de computação em dispositivos cada vez menores, remover o calor do microprocessador está começando a limitar a quantidade de energia que pode ser comprimida em um determinado espaço.

Com melhorias na eficiência e nas taxas de resfriamento desta nova abordagem, a equipe imagina esse fenômeno como uma forma de retirar rapidamente o calor dos microprocessadores dos dispositivos. Pode até resistir aos abusos sofridos por smartphones, já que os espaçadores em nanoescala podem fornecer a separação entre o microprocessador e o LED.

A pesquisa será publicada na revista. Natureza em 14 de fevereiro, 2019, intitulado, "Resfriamento fotônico de campo próximo por meio do controle do potencial químico dos fótons."