Твердотельный рефрижератор размером с чип
 Широкому использованию некоторых типов электронных устройств с микроскопическими размерами и очень низкими рабочими температурами в настоящее время препятствует отсутствие надежных и сравнительно дешевых систем для их охлаждения. Сотрудники Nat. Inst. Standards and Technology (NIST США) в работе [2] сообщили об изготовлении микрорефрижератора, с помощью которого удалось охладить кубик из Ge с длиной ребра 250мкм до T = 220мК. Принцип его действия очень простой. Он основан на эффекте туннелирования в контакте NIS (N – нормальный металл, I – изолятор, S – сверхпроводник). У сверхпроводника в плотности электронных состояний имеется щель, причем в термодинамическом равновесии уровень Ферми металла попадает в центр этой щели, так что туннелирование электронов через диэлектрическую прослойку из металла в сверхпроводник невозможно. При достаточно большом напряжении на контакте химпотенциал металла попадает в центр этой щели, так что электроны теперь могут туннелировать в незанятые состояния, расположенные выше щели (см. рис.1 из статьи [3]). Так как в сверхпроводник туннелируют только электроны с энергиями вблизи уровня Ферми (т.е. самые высокоэнергетичные), то суммарная энергия оставшихся электронов уменьшается, и металл охлаждается.
Рис. 1. Иллюстрация принципа работы NIS-микрорефрижератора. Пунктирная линия – химический потенциал; V – напряжение на контакте; D – сверхпроводящая щель.
«Это – так же, как испарение самых разогретых молекул вызывает охлаждение в кондиционере с увлажнением воздуха» - поясняет один из авторовв Joel Ullom [4]. Разработчики использовали четыре пары приборов, имевших размеры 25 х 15 мкм2, для охлаждения объекта с размерами 450 х 450мкм2 от температуры 320мК до 225мК. «По объему это аналогично тому, как если бы холодильник размером с человека охладил Статую Свободы» - говорит Ullom.
Комбинация Не3 холодильников и устройств с электронным туннелированием могла бы в пределе охлаждать объекты сантиметрового размера до 100мК и ниже. Такая комбинация была бы полезна для многих криогенных задач, таких как рентгеновские датчики для выявления дефектов в материалах полупроводниковой промышленности, детекторы фотонов на космических аппаратах для исследования поляризации космического микроволнового фона.
На практике, конечно, приходится попутно решать целый ряд проблем с целью увеличения мощности охлаждения и т. д. Как бы то ни было, авторы упомянутой статьи полагают, что усовершенствование системы отвода тепла позволит достичь еще более низких температур, вплотную приблизившись к абсолютному нулю.
Источники:
1. ПерсТ: Твердотельный рефрижератор размером с чип
2. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 173508
3. Nature 2005, 435, 889
4. http://physicsweb.org/articles/news/9/4/16/1#050416
|
