Dit is een thermische tegenhanger van een poort met twee transistoren. Elk van de drie transistorterminals bestaat uit systemen met twee niveaus en ze werken samen met baden met temperaturen TL, TM en TR. De substraattemperatuur wordt gegeven door Tc. De warmtestromen over de transistorpoort worden weergegeven door JL1, JL2, JM1, JM2, JR1 en JR2. De warmtestroom naar het systeem wordt weergegeven door JLeq en de warmtestroom naar het bad wordt weergegeven door JReq, die analoog werken aan de collector- en emitterstroom van een transistor. Credits: Uthpala N. Ekanayake en Malin Premaratne
Nanotechnologie heeft een grote invloed gehad op de halfgeleiderindustrie, waardoor transistors van slechts enkele nanometers kunnen worden geproduceerd. Hoewel de miniaturisatie van elektronische componenten heeft geresulteerd in hogere transistordichtheden, heeft het ook geleid tot een grotere warmteontwikkeling.
Om dit aan te pakken, vertrouwt de huidige thermische technologie op thermo-elektrische koelmodules, vloeibare koelvloeistoffen en koellichamen om warmte af te voeren. We stellen ons echter een toekomst voor waarin nanotechnologie een cruciale rol speelt bij de ontwikkeling van miniatuurkoel- en energieoogstapparaten die naadloos kunnen worden geïntegreerd met elektronische schakelingen. Ons onderzoek is gemotiveerd door deze visie en we werken eraan om het veld vooruit te helpen door nieuwe nanomaterialen en apparaatarchitecturen te verkennen voor efficiënt warmtebeheer en energiewinning.
Hoe kunnen we de warmteopwekking op een nieuwe manier beheersen?
De manipulatie van kwantumbronnen in de elektronica-industrie biedt een groot potentieel voor het bouwen van innovatieve apparaten die gericht zijn op het beheersen van de warmteontwikkeling. Vorderingen op dit gebied zijn sterk afhankelijk van theoretische grondslagen en fundamentele ontwerpprincipes met betrekking tot de theorie van open kwantumsystemen. Door een beter begrip van deze concepten te ontwikkelen, kunnen onderzoekers snellere en efficiëntere koelstrategieën ontwikkelen voor geavanceerde elektronica.
Er is echter uitgebreid onderzoek nodig om de theorie van energieoverdracht in thermische apparaten volledig vast te stellen, vooral wanneer deze systemen sterk gekoppeld zijn aan hun omgeving. Voordat modellen van thermische apparaten in de fabricagefase kunnen worden gebracht, is het van cruciaal belang om het gebied van kwantumthermisch beheer grondig te verkennen.
Een voorbeeld van een open kwantumsysteem is de thermische transistor, die interageert met een verzameling thermale baden. Systemen met twee niveaus vertegenwoordigen de klemmen van de transistor. In een kwantumthermische transistor interageren drie van dergelijke systemen met drie direct gekoppelde thermale baden met verschillende temperaturen. Eenmaal geconfigureerd gedraagt de thermische transistor zich op dezelfde manier als een elektronische transistor. Door meerdere thermische transistors via baden met elkaar te verbinden, kunnen onderzoekers een multi-transistorsysteem creëren met het potentieel om verschillende thermische tegenhangers van elektronica te genereren.
Nieuw perspectief voor de toekomstige elektronische industrie
Zoals gedetailleerd door onderzoek gepubliceerd in Fysieke beoordeling B, hebben we een nieuw theoretisch model ontwikkeld voor thermische energieregeling met behulp van een multi-transistorstructuur, die de geleiding van warmtestromen zoals elektriciteit mogelijk maakt. In tegenstelling tot eerdere studies die enkele structuren gebruikten, gebruikten we ringen van systemen met twee niveaus die waren verbonden met verschillende baden om ons model te bereiken, waardoor het vermogen om warmtestromen te versterken werd verbeterd.
Ons model is efficiënt omdat het op een substraat kan worden geplaatst, wat de weg vrijmaakt voor een praktisch kwantumthermisch transistorontwerp. We hebben onderzocht hoe algemene milieueffecten en technieken voor reservoirtechniek kunnen worden gebruikt om donkere toestanden te genereren, wat leidde tot de realisatie van thermische logische poorten.
Hoewel ons onderzoek nog steeds gericht is op de experimentele realisatie van deze modellen, hebben ze het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we efficiënt thermisch beheer in moderne elektronica benaderen. De aan/uit-actie van deze thermische transistors zou kunnen worden gebruikt om elektronische schakelingen te koelen, wat een nieuwe implicatie voor toekomstige elektronica biedt.
Dit verhaal is een onderdeel van Dialoogvenster Wetenschap Xwaar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.
Meer informatie:
Uthpala N. Ekanayake et al, Engineered common environment effects on multitransistor systems, Fysieke beoordeling B (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.107.075440
Ravi T. Wijesekara et al, Darlington-paar kwantumthermische transistors, Fysieke beoordeling B (2021). DOI: 10.1103/PhysRevB.104.045405
Bio:
Uthpala Nivandani Ekanayake behaalde haar B.Sc. elektrische en elektronische engineering (cum laude) van de Universiteit van Peradeniya, Sri Lanka. Momenteel is ze een PhD-student en lid van het Advanced Computing and Simulations Laboratory (qdsearch.net/) aan de afdeling Electrical and Computer Systems Engineering, Monash University, Australië onder supervisie van prof. Malin Premaratne.
Malin Premaratne behaalde verschillende diploma’s aan de Universiteit van Melbourne, waaronder een B.Sc. in wiskunde, een BE in elektrotechniek en elektronica (cum laude) en een doctoraat in respectievelijk 1995, 1995 en 1998. Sinds 2004 leidt hij het onderzoeksprogramma op het gebied van high-performance computertoepassingen voor simulaties van complexe systemen bij het Advanced Computing and Simulation Laboratory, Monash University, Clayton. Momenteel is hij Vice President van de Academic Board van Monash University en een Hoogleraar. Naast zijn werk aan de Monash University is professor Premaratne ook gastonderzoeker bij verschillende prestigieuze instellingen, waaronder het Jet-Propulsion Laboratory in Caltech, de University of Melbourne, de Australian National University, de University of California Los Angeles, de University of Rochester New York en de universiteit van Oxford. Hij heeft meer dan 250 tijdschriftartikelen en twee boeken gepubliceerd en was associate editor voor verschillende toonaangevende academische tijdschriften, waaronder IEEE Photonics Technology Letters, IEEE Fotonica JournalEn OSA Vooruitgang in optica en fotonica. De bijdragen van professor Premaratne op het gebied van optica en fotonica zijn erkend met tal van beurzen, waaronder de Fellow of the Optical Society of America (FOSA), de Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers USA (FSPIE), het Institute of Physics UK (FInstP ), de Institution of Engineering and Technology UK (FIET) en The Institute of Engineers Australia (FIEAust).
Tijdschrift informatie:
Fysieke beoordeling B
