В будущем наши устройства смогут вообще не выделять тепла: научный прорыв
- Исследователи создали "оптоэкситонный переключатель", который использует нейтральные экситоны вместо электронов, что позволяет избежать перегрева устройств.
- Технология имеет потенциал для значительного уменьшения размеров устройств и повышения их производительности, но требует новых материалов, что может занять десятилетия.
Каждый пользователь смартфона или ноутбука знает, как сильно могут нагреваться устройства во время интенсивной работы. Выделение отработанного тепла является фундаментальным ограничением современной электроники. Однако недавно группа исследователей сделала прорыв, который может навсегда изменить правила игры и привести к появлению гаджетов, которые больше не будут перегреваться.
Как работает новая технология?
В основе любого современного электронного устройства лежат микроскопические переключатели, которые контролируют поток энергии и передачу сигналов. Они работают благодаря движению электронов – заряженных частиц. Именно из-за наличия заряда во время их движения выделяется тепло. Это причина, почему ваш ноутбук становится горячим во время игры, а огромные дата-центры требуют мощных и дорогих систем охлаждения, пишет 24 Канал со ссылкой на ACS Nano.
Смотрите также Новейший детектор частиц, известный как "машина Большого взрыва", прошел первые серьезные тесты
Ученые предложили принципиально новый подход, создав так называемый "оптоэкзитонный переключатель". Его работа базируется не на электронах, а на нейтрально заряженных квазичастицах, которые называются экситонами. Экситон образуется, когда электрон под воздействием внешней энергии покидает свое место в атоме. На его месте появляется положительно заряженная "дырка". Эта дырка притягивает к себе свободный отрицательно заряженный электрон, и вместе они образуют единую, но электрически нейтральную частицу.
Поскольку экситоны не имеют заряда, они могут переносить информацию, не производя при этом тепла. Это решает главную проблему современной электроники.
Исследование стало первым случаем, когда удалось создать экситонный переключатель, что по своим характеристикам превосходит существующие фотонные аналоги. Новое устройство не только решает проблему нагрева, но и позволяет уменьшить размер переключателей в сотни раз.
Главным вызовом для команды было заставить нейтральные экситоны двигаться в нужном направлении. В отличие от электронов, их нельзя "толкать" электрическим полем. Решение нашли в использовании фотонов – частиц света. Ученые создавали экситоны, а затем воздействовали на них точно рассчитанным количеством фотонов. Когда свет поглощался, он, как волна, начинал толкать экситоны вдоль специально созданной одномерной дорожки. Если фотонов было мало, экситоны оставались на месте, а если много – сходили с траектории.
В долгосрочной перспективе эта технология позволит создавать экситонные схемы, которые будут настолько эффективными, что компьютерам больше не понадобятся вентиляторы, а смартфоны смогут работать от одного заряда намного дольше. Конечной целью является полная замена современной электроники на новую, что приведет к значительному уменьшению размеров устройств при экспоненциальном росте их производительности.
Однако до этого еще далеко. Чтобы масштабировать технологию, нужно найти новые материалы и разработать методы массового производства таких устройств. Сами исследователи считают, что на решение этих задач могут уйти десятилетия.