Paul van Gerven
21 February 2019

In een omgekeerd aangesloten fotodiode schuilt een koelkracht die waarschijnlijk goed genoeg is om processoren of andere elektronica te koelen.

De thermodynamica blijkt minder onverbiddelijk dan gedacht: het warmere object kan wel degelijk het koudere object koelen. Onderzoekers van de University of Michigan laten in Nature zien dat een fotodiode met omgekeerd aangesloten elektrodes warmte onttrekt aan een kouder object op enkele nanometers afstand. Met aanvullingen ter verhoging van de koelkracht lijkt de nieuwe methode ideaal om elektronica te koelen. ‘Dit experiment kan enorme impact hebben op warmtemanagement’, schrijven Franse onderzoekers in een begeleidend commentaar.

Het op het oog bizarre resultaat is te verklaren aan de hand van het fenomeen effectieve temperatuur. In het experiment verkrijgt de fotodiode een effectieve temperatuur lager dan zijn echte temperatuur. Dat wil zeggen: hij emitteert minder warmtestraling dan je op basis van zijn temperatuur zou verwachten. Zodra de effectieve temperatuur van de fotodiode onder die van het te koelen object komt (in het experiment een calorimeter), begint warmte naar de diode te stromen.

koelen_jl_web
Een fotodiode waarop een negatieve spanning is aangebracht, onttrekt warmte aan een nabije calorimeter, ook al is de diode warmer.

Maar waarom zou de fotodiode minder warmte uitstralen dan hij zou moeten doen gegeven zijn temperatuur? Dat heeft te maken met het fenomeen chemische potentiaal, oftewel de hoeveelheid energie die vrijkomt of wordt geabsorbeerd door een verandering van het aantal deeltjes in het systeem. Fotonen hebben doorgaans een chemische potentiaal van nul, omdat elke verandering in het aantal fotonen in een systeem onmiddellijk wordt gecompenseerd door absorptie of emissie van een ander foton.

Wanneer de emissie of absorptie van fotonen is gekoppeld aan veranderingen van een ander type deeltje, kunnen fotonen wel een chemische potentiaal hebben. Dit is onder meer het geval in fotoactieve halfgeleiders, waar fotonen elektronen kunnen promoveren van valentie- naar conductieband. De chemische potentiaal van fotonen is in die situatie gelijk aan het verschil van de chemische potentiaal van de bezette en onbezette elektronische toestand, en die waarde is weer evenredig met het aangelegde spanningsverschil.

Door in het experiment een negatief voltage over de fotodiode aan te leggen, verkregen fotonen met een energie groter dan de bandovergang een negatieve chemische potentiaal. Daardoor wordt de emissie van thermische straling deels onderdrukt en daalt de effectieve temperatuur van de fotodiode.

Op zichzelf bleek dat nog niet genoeg om een koeleffect te meten. Daarvoor was het noodzakelijk om diode en koelobject extreem dicht bij elkaar te brengen, tot op enkele nanometers. Op deze afstand treedt het equivalent van quantumtunneling op met thermische straling, wat de warmteoverdracht van koelobject naar fotodiode sterk vergroot.

Het onderzoeksteam heeft een koelkracht gedemonstreerd van zes watt per vierkante meter, maar theoretisch kan het zeker twee ordegroottes beter. Hoeveel van dat potentieel kan worden verzilverd, zal moeten blijken uit vervolgonderzoek, maar van een groot gapend gat naar koelkracht die relevant is voor bijvoorbeeld elektronica is geen sprake. Dus wie weet, worden pc- en smartphoneprocessoren in de toekomst gekoeld met fotodiodes.