Нанотехнологии помогают охладить электроны без внешних источников

Группа ученых нашла способ охлаждения электронов до -228˚С без использования каких бы то ни было внешних инструментов. Благодаря такому методу электронные устройства могут потреблять для нормальной работы минимальное количество энергии.

Процесс охлаждения и избежание нагревания включает переход электронов через квантовую яму.

Группа описала собственное исследование в статье «Energy-filtered cold electron transport at room temperature», которая была опубликована в Nature Communications.

«Мы первые, кто смог эффективно охладить электроны при комнатной температуре. Исследователи делали это и ранее, но только в условиях, когда прибор полностью погружался в охлаждающую ванну, поддерживающую сверхнизкую температуру, — рассказывает адъюнкт-профессор Сонг Джин Ко (Seong Jin Koh) из Техасского университета в Арлингтоне (кафедра материаловедения и инженерии), который руководил исследованием. — Получение холодных электронов при комнатной температуре обладает громадным техническим потенциалом. Например, теперь могут быть сняты требования по использованию жидкого гелия или азота для охлаждения электронов в различных электронных системах».

По словам профессора, электроны находятся в термически возбужденном состоянии даже при комнатной температуре, что представляет собой естественное явление. Если подавить возбуждение электронов, их температура может быть эффективно снижена без внешнего охлаждения.

Исследователи использовали наноразмерные структуры, которые состоят из последовательно расположенного электрода истока, квантовой ямы, туннельного перехода, квантовой точки, еще одного туннельного перехода и электрода стока — все для того, чтобы подавить возбуждение и охладить электроны.

Использование холодных электронов может привести к созданию нового типа транзисторов, которые смогут работать в режиме чрезвычайно низкого энергопотребления. «Применение результатов нашего исследования для создания энергоэффективных транзисторов уже в процессе», — добавил профессор.

По словам руководителя программы Аша Варшни (Usha Varshney), работающего в Управлении инженерии Национального научного фонда США, применение таких транзисторов в электронных устройствах может снизить энергопотребление в 10 раз в сравнении с имеющимися сегодня технологиями: «Персональные электронные устройства такие, как смартфоны, планшеты и т. д. смогут работать гораздо дольше без перезарядки».

Помимо перспективных коммерческих приложений существует множество военных применений для такой технологии. Не секрет, что батареи весят немало, поэтому снижение энергопотребления может значительно снизить нагрузку на солдата, а следовательно, увеличить его возможности на поле боя (современные американский пехотинец в среднем переносит около 9 кг батарей и аккумуляторов. — Прим. DefenceMedia). Другие возможности для военного применения — электронная начинка для телеметрических датчиков, БПЛА и высокопроизводительные вычислительные центр.