Terminiai, arba šiluminiai diodai galėtų tapti ateities terminių kompiuterių pagrindiniais komponentais. Tokie kompiuteriai galėtų veikti esant labai aukštoms temperatūroms, kuriose šiandieniniai elektroniniai kompiuteriai greitai perkaistų ir nustotų veikti.
Tyrėjai sukūrė terminį diodą – nanotermomechaninį komponentą, kuris gali veikti esant daugiau nei 600 K (326 °C) temperatūrai. Tai aukščiausia iki šiol pasiekta terminio diodo darbo temperatūra.
Skirtingai nei elektroniniuose komponentuose, terminiai atminties ir loginiai įtaisai duomenų įrašymui ir apdorojimui naudoja šilumą, o ne elektros signalus. Jie gali dirbti labai karštose aplinkose, kur elektronikos įrenginiai veikti paprastai nesugeba, bent jau be intensyvaus aušinimo. Pavyzdžiui, tokios sąlygos yra Veneros paviršiuje, kur vidutinė temperatūra siekia virš 400 °C, ir pasiųsti zondai jau po kelių valandų nustoja veikti, arba Žemės gelmėse, atkiekant giluminius gręžinius, ieškant naudingųjų iškasenų ar geoterminių vandens telkinių. Taip pat ši technologija atvertų įdomią galimybę sukurti šiluminius akumuliatorius, kurie galėtų kaupti šiluminę energiją.
Terminio diodo funkcija – praleisti šilumos srautą tik viena kryptimi, panašiai kaip elektroninis diodas praleidžia elektros srovę tik į vieną pusę.
Toks gebėjimas kontroliuoti šilumos tekėjimo kryptį leidžia terminiams diodams sukurti du skirtingo lygio signalus – „0“ ir „1“ , o tai ir yra dvejetainių loginių veiksmų pagrindas.
Šis naujasis terminis diodas pasiekia du skirtingus šilumos srauto lygius, reguliuodamas atstumą tarp dviejų paviršių – judančio ir stacionaraus terminalų. Mokslininkai parodė, kad galima sukurti tokį nanomechaninį „sumuštinį“, kuriame santykinės temperatūros tarp dviejų terminalų pokytis keistų ir atstumą tarp jų – kas, savo ruožtu, keistų ir tarp jų perduodamos šilumos srautą bei jo kryptį.
Tai yra pirmas kartas, kada keturi veiksniai – temperatūra, atstumas tarp terminalų, šilumos perdavimo koeficientas ir šilumos srauto kryptis – buvo panaudoti terminiame diode.
Visas įtaisas sudarytas iš 24 porų judančių ir fiksuotų terminalų ir dviejų plonasluoksnių platinos mikrokaitintuvų, kurie nepriklausomai vienas nuo kito kontroliuoja kiekvienos kontaktų poros temperatūrą.
Kai fiksuotas terminalas yra karštesnis nei judantis, tarpas tarp jų yra didelis, todėl šilumos perdavimo koeficientas mažas, ir šilumos iš vieno terminalo į kitą perduodama nedaug. Kai judantis terminalas tampa karštesnis nei fiksuotas terminalas, judantis terminalas juda artyn, tarpas sumažėja, ir dėl to padidėja šilumos perdavimo koeficientas.
Tarp tokių mažų, mikrometrų dydžio kontaktų šilumos perdavimas vyksta daugiausia dėl proceso, vadinamo artimojo lauko šiluminiu spinduliavimu, kurio metu tarp dviejų labai arti esančių paviršių (atstumas yra palyginamas su šiluminių bangų ilgiu) įvyksta šiluminių bangų tuneliavimas.
Šis pasiekimas taip pat yra pirmasis, kuomet aukštos temperatūros terminiame diode buvo panaudotas šis efektas – artimojo lauko šiluminis spinduliavimas, o tai padaryti yra sudėtinga dėl techninių iššūkių – nanometrų dydžio atstumo tarp terminalų valdymo.
Bandymai parodė, kad toks terminis diodas gali veikti esant temperatūrai iki 600 K, ir mokslininkai tikisi, kad optimizavus konstrukciją bei parinkus atsparesnes medžiagas, įmanoma pasiekti ir aukštesnę temperatūrą bei geresnius rodiklius.
Šio pasiekimo privalumas yra ir tas, kad diodas buvo pagamintas naudojant standartinę mikroelektromechaninių prietaisų įrangą ir kitas standartines technologijas, paplitusias puslaidininkių pramonėje.
Straipsnis apie šį pasiekimą publikuojamas žurnale „Nature’s Scientific Reports“.
Building block of thermal computer operates at 600 K
Mahmoud Elzouka and Sidy Ndao. „High Temperature Near-Field NanoThermoMechanical Rectification.“ Scientific Reports. DOI: 10.1038/srep44901
Daugiau:
Mažiausias pasaulyje radijas, kurio imtuvas – tik dviejų atomų dydžio
Mokslininkai Lietuvoje ieško būdų efektyvesnėms LED lemputėms kurti
Sukurta nauja technologija, padidinsianti šviesos diodų prieinamumą
Pirmasis pasaulyje šiluma valdomas tranzistorius
Šokinėjantys lašeliai gali efektyviai aušinti įkaitusias elektronikos schemų vietas
Puslaidininkiai komponentai be įprastinių puslaidininkinių medžiagų – jau realybė