Der findes to enkle metoder til energioverførsel: varme og elektricitet.
Elektricitet kan styres og reguleres med elektroniske komponenter, der også giver mulighed for at lave beregninger og lagre information. Varme er derimod en anderledes ukontrollabel størrelse, som ikke umiddelbart lader sig regulere på samme snedige vis.
Det betyder, at varme i mange situationer betragtes som et problematisk biprodukt snarere end en anvendelig energikilde. Og en termisk computer, som baserer sig på transport og lagring af varme i stedet for elektronoverførsel og lagring af elektronisk information, forekommer helt utænkelig.
En række forskere har imidlertid sat sig for at forandre den situation ved at lave varmekomponenter, der svarer til elektriske transistorer, logiske kredse og hukommelseselementer.
Varmeenergi overføres på forskellig vis. I faste stoffer sker det ved varmeledning i form af vibrationer i atomgitteret (fononer).
I væsker eller gasser overføres varme som konvektion i form af en bevægelse af partikler, og endelig kan varme overføres gennem luft som stråling – ofte i det infrarøde område.
Grundlaget for varmekomponenter
Allerede i 1936 beskrev amerikaneren Chauncey Starr, hvad han kaldte et nyt fysisk fænomen: asymmetrisk varmeledning i kobberoxid – altså en termisk diode. Dermed var grundlaget for at lave varmekomponenter faktisk allerede dengang til stede.
Det er dog først inden for de seneste 10-15 år, at forståelsen af, hvordan man kan regulere varmetransport på samme måde som elektrontransport, er kommet på mere sikker grund.
Baowen Li og Lei Wang fra National University of Singapore og Giulio Casati fra Universtà degli studi dell’Insurbia i Como, Italien, er blandt grundlæggerne af fononik (phononics) som er en pendant til elektronik og fotonik.
Allerede i 2006 kunne de tre forskere teoretisk beskrive, hvordan man skulle designe en termisk transistor til at kontrollere varmestrømningen baseret på en effekt, de kaldte NDTR (negativ differential termisk resistans), hvor et stort temperaturfald giver anledning til en lille varmestrøm, og et lille temperaturfald fører til en stor varmestrøm.
Normalt er der tale om den modsatte situation med en positiv differential termisk resistans, men Li, Wang og Casati kunne vise, hvordan resonans og ulineære effekter i visse gitterstrukturer kan give anledning til NDTR.
Det kan måske synes i modstrid med almindelig sund fornuft, men der er ingen fysiske love, der forbyder dette, da varme i overensstemmelse med termodynamikkens anden hovedsætning altid flyder fra et varmt område til et koldt område.
Hastigheden er et problem
Et afgørende problem ved fononik til praktiske anvendelser er dog, at fononer kun har en hastighed på omkring 1.000 meter i sekundet.
Philippe Ben-Abdallah fra Université Paris-Sud og Svend-Age Biehs fra Carl von Ossietzky Universität i Oldenburg, Tyskland, har af samme årsag set på, hvordan man kan udvikle termiske komponenter, der baserer sig på varmestråling ved udveksling af fotoner – og som dermed kan styres med lysets hastighed.
I en artikel i Physical Review Letters fra januar i år viste de, hvordan man kan designe en termisk transistor baseret på varmestråling, og i en anden artikel i august i samme tidsskrift har de vist et design for et termisk hukommelseselement.
Det langsigtede mål er at generere mekanisk arbejde fra varme ved at koble mikroresonatorer til termiske transistorer og med hukommelseselementer at lagre og kontrollere frigivelse af termisk energi.
Den termiske transistor er inspireret af opbygningen af en klassisk felt-effekt transistor, som er et af de vigtigste elementer inden for moderne halvlederelektronik.
En felt-effekt transistor har tre terminaler, der kaldes for source, gate og drain. Spændingen på gate-terminalen regulerer transporten af elektroner mellem source og drain.
Den termiske transistor består af tre tilsvarende adskilte elementer. To siliciumskiver med forskellig temperatur udgør source og drain, og et materiale i midten, der kan skifte mellem at være et metal og en isolator, er gate.
Vanadiumdioxid (VO2) er et sådant materiale, da det ved en temperatur under 340 K (67 grader celsius) er optisk og tillader termiske fotoner at passere, mens det over denne temperatur er metallisk og derfor standser fotonerne.
I den nyeste artikel har Ben- Abdallah og Biehs beskrevet et hukommelseselement bestående af en skive af vanadiumdioxid og en skive af siliciumdioxid. Det er muligt for denne kombination at være i ligevægt, hvis VO2-skiven har en temperatur på 342 K, og SiO2-skiven har en temperatur på 324 K samt ved temperaturer på henholdsvis 338 K og 328 K.
Med to ligevægtstilstande er systemet bistabilt og kan repræsentere ‘nul’ og ‘et’. En teoretisk analyse viser, at det er muligt at skifte mellem ‘nul’ og ‘et’ ved at køle VO2-skiven et par grader – det kan gøres på under et nanosekund, mener Ben-Abdallah.
Tilstanden kan læses ved at måle VO2-skivens ledningsevne.
Leave a Reply