Созданы «стандартные блоки» гипотетического теплового компьютера

Профессор Сиди Ндао (Sidy Ndao) и его аспирант Махмуд Элзука (Mahmoud Elzouka) из университета Небраски разработали и изготовили опытные образцы тепловых диодов, которые способны работать при температурах свыше 600 К (326 С), и которые являются первым видом «стандартных блоков» для гипотетических тепловых компьютеров.

Такие тепловые компьютеры для передачи и обработки информации вместо электричества используют тепловую энергию. Конечно, они обладают гораздо меньшим быстродействием, нежели существующие вычислительные устройства, но зато они могут работать в таких условиях, в которых перестанет работать электроника любого типа за исключением специализированной высокотемпературной электроники на основе карбида кремния.

В отличие от электроники, наноразмерные термомеханические устройства памяти и логические элементы, использующие тепловую энергию вместо электричества, смогут работать даже в самых неблагоприятных условиях.

Такие тепловые вычислительные устройства смогут работать на поверхности Венеры, где температура часто превышает отметку в 400 градусов Цельсия, в глубинных скважинах и в энергетических установках, использующих геотермальную энергию.

Помимо этого, технология тепловых вычислений является идеальным кандидатом для построения цепей управления систем охлаждения и систем аккумулирования тепловой энергии.

Тепловой диод с функциональной точки зрения практически идентичен своему электронному собрату, он позволяет течь потоку тепла только в одном направлении. Такая возможность управления потоком тепла позволит произвести два четких уровня сигнала, соответствующие значениям логического 0 и 1.

В конструкции нового теплового диода уровни пропускаемого теплового потока задаются путем изменения расстояния между его неподвижным «терминалом» и подвижным «терминалом».

Это расстояние изменяет величину теплового потока, который способен пропустить через себя тепловой диод, кроме этого, величина этого потока зависит от его направления.

Следует отметить, что новый тепловой диод является первым в своем роде устройством, в котором ученым удалось реализовать контроль над четырьмя температурными факторами одновременно, над шириной разделительного промежутка и уровнем теплопередачи, зависящем от направления теплового потока.

Структура теплового диода состоит из 24 пар фиксированных и подвижных «терминалов», являющихся аналогами электродов обычного диода.

Так же в диоде присутствуют нагреватели, изготовленные из тонкой платиновой пленки, при помощи которых можно управлять температурой каждой пары терминалов.

Когда фиксированный терминал имеет большую температуру, чем подвижный, зазор между ними увеличивается, что приводит к снижению потока проходящего через них тепла.

А когда температура подвижного терминала становится выше температуры фиксированного, ширина промежутка уменьшается и через пару может протекать больший тепловой поток.

На уровне терминалов процесс теплопередачи производится за счет явления полевого теплового излучения, который работает за счет туннелирования короткоживущих поверхностных тепловых волн между двумя поверхностями, находящимися в непосредственной близости друг от друга.

Еще одной отличительной чертой нового теплового диода является то, что в нем впервые было использовано в практических целях вышеупомянутое явление.

А предыдущие попытки использования явления полевого теплового излучения сталкивались с рядом нерешаемых в то время проблем, связанных с необходимостью точнейшего управления шириной наноразмерного разделительного промежутка.

Испытания опытных образцов тепловых диодов показали, что они способны работать при температурах до 600 градусов Кельвина.

А оптимизация структуры диода и использование в ней новых материалов, как считают ученые, позволит в будущем их диоду работать и при более высоких температурах.