Kuantum ısı devreleri elektroniğin en eski numarasını öğreniyor: Güç kaynağını paylaşmak

Her elektronik ve optoelektronik cihaz ısı üretir ve günümüzde bu ısı neredeyse tamamen dışarıdan yönetilmektedir. Soğutucular, fanlar, soğuk plakalar ve buzdolapları, sonradan bir çipe veya pakete vidalanan hantal dış önlemlerdir. Isıyı, devrenin derinliklerinde, bileşen bileşen yerel olarak üretilse bile, toplu olarak uzaklaştırılacak tek bir ortalama miktar olarak ele alırlar.

Elektroniklerin neden ısıyı idare etmek için yeni bir yola ihtiyacı var?

Kuantum termal cihazları temelde farklı bir yaklaşım sunar. Küçük olduklarından, ısı yönetimi devreleri prensipte ihtiyaç duyan her elektronik veya optoelektronik bileşenin hemen yanına kurulabilir.

Bütün bir çip için tek bir toplu, ortalama çözüm yerine, her bir bileşenin yanında kendi özel termal devresi bulunabilir ve ısıyı tam olarak ortaya çıktığı yerden uzaklaştırabilir. Bu alanı motive eden uzun vadeli teknolojik vaat budur.

Elektronik devreler gibi ısı devreleri yapabilir miyiz?

Kuantum ısı devreleri, enerji akışını kuantum ölçeğinde kontrol etmeye yönelik yeni ortaya çıkan bir yaklaşımdır. Kuantum termotronik olarak da bilinen bu alan, nano ölçekli sistemlerde ısının nasıl kontrol edilebileceğini anlamak için elektronikten fikirler alıyor.

Araştırmacılar, kuantum termal diyotlar ve transistörler dahil olmak üzere tanıdık elektronik cihazların termal versiyonlarını önerdiler. Darlington çiftleri ve mantık devreleri gibi daha karmaşık düzenlemeler de araştırılmıştır. Daha geniş amaç, elektronik devrelere benzer şekilde mühendislik prensipleri kullanılarak tasarlanabilen ve analiz edilebilen ısı devreleri geliştirmektir.

Çalışmalarımızda yeni olan ne var?

Dergimizde yayımlanan makalemiz Fiziksel İnceleme Bbu hedefi daha da yaklaştıran iki ilerleme kaydediyor.

İlk olarak, kuantum termal transistörlerden oluşan tüm bir ağın, tıpkı elektronik devrelerin az sayıda güç kaynağı tarafından çalıştırılması gibi, yalnızca bir veya iki ısı rezervuarı tarafından çalıştırılabileceğini gösteriyoruz. Modern elektronik, milyonlarca transistör içeren bir devreyi saptırabilecek birkaç besleme rayı kullanma gibi basit ama güçlü bir fikre güveniyor.

Şimdiye kadar, ısı akışını değiştirebilen ve güçlendirebilen kuantum termal transistörlerin eşdeğer bir düzenlemesi yoktu. Mevcut modellerde, her termal transistörün her terminali tipik olarak kendi ısı rezervuarına ihtiyaç duyar, dolayısıyla N transistör içeren bir devre 3N rezervuar gerektirebilir. Devreler büyüdükçe, gerekli rezervuarların sayısı da aynı hızla artıyor ve bu da büyük termal devrelerin inşa edilmesini ve kontrol edilmesini kullanışsız hale getiriyor.

Çalışmamız, birçok transistörün az sayıda rezervuarı paylaşmasına izin veren kuantum termal bağlantıları tanıtarak bu engeli ortadan kaldırıyor. Bu bağlantılar elektronik devrelerin öngerilim ve empedans ağlarına benzer bir rol oynar. Her transistörü doğru çalışma noktasında tutarken termal enerjiyi ağ üzerinden dağıtırlar.

İkinci olarak, küçük sinyal rejimindeki bu devreler için Kirchhoff’un akım ve gerilim yasalarının termal karşılıklarını türetiyoruz. Bu yasalar, mühendislere kuantum termal cihaz ağlarını analiz etmek için sistematik ve tanıdık bir yol sağlar; termal devre denklemlerini, her seferinde tam kuantum dinamiğini çözmeden, geleneksel bir elektronik devreyi analiz eder gibi yazıp çözer.

Paylaşılan rezervuar önyargısıyla birlikte bu, kuantum ısı devreleri ile klasik devre teorisi arasında çalışan bir köprü oluşturur.

Sırada ne var?

Önyargılama ve devre yasaları uygulandığında önümüzdeki yol, elektroniğin erken tarihine çok benziyor. Önce transistör geldi, ardından devre teorisi ve ancak ondan sonra dünyayı değiştiren entegrasyon ortaya çıktı.

Kuantum termotronik artık kendi devre teorisine sahip ve sonraki adımlar her genç teknolojinin atması gereken adımlar. Yani, gerçek elektronik ve optoelektronik cihazların çalıştığı sıcaklıklarda çalışan termal transistörler oluşturmak için en iyi malzeme platformlarını belirlemek ve bunların ısısını yönetecekleri bileşenlerin yanına nasıl entegre edileceğini belirlemek.

Ödül oldukça büyük çünkü ısı, gelecekteki her çipin mutlaka yaşayacağı bir sorundur ve bunu yerel olarak, cihaz cihaz yöneten bir teknoloji, işlemcilerden lazerlere ve sensörlere kadar her şeyde doğal bir yere sahiptir.

Geri kalan sorular bir meydan okuma olduğu kadar bir fırsattır ve tam olarak bir alana yeni beyinleri çekecek türdendirler. Çok küçük sistemlerde sıcaklık nasıl tanımlanmalı ve kontrol edilmelidir? Ve burada türetilen termal devre yasaları gibi basit mühendislik kuralları, her seferinde tam kuantum dinamiğini çözmeden karmaşık ısı devrelerinin tasarımını ne kadar ileri taşıyabilir? Her yanıt, özelleştirilmiş, bileşen düzeyinde ısı yönetimini uygulamaya bir adım daha yaklaştıracaktır.

Bu hikaye, araştırmacıların yayınlanmış araştırma makalelerinden bulguları raporlayabildiği Science X Dialog’un bir parçasıdır. Science X Dialog ve nasıl katılacağınız hakkında bilgi almak için bu sayfayı ziyaret edin.

Prof. Malin Premaratne, FIEEE, FOptica, FSPIE, FInstP, FIET, FIEAust, Monash Üniversitesi’nde Profesördür ve kuantum optiği, kuantum cihaz teorisi ve kuantum mühendisliği alanlarında lider bir otoritedir. Araştırmaları kuantum elektrodinamiği, fotonik ve gelişmiş kuantum cihazlarını kapsamakta olup lazerlere, optik amplifikatörlere, ayırıcılara ve transistörlere katkı sağlamaktadır. 300’den fazla dergi yayını ve iki kitabın yazarıdır ve 10 milyon doların üzerinde rekabetçi araştırma fonu elde etmiştir. Aynı zamanda Avustralya Araştırma Konseyi Uzmanlar Koleji’nin de üyesidir.