Светоизлучающий диод (LED), который излучает больше световой энергии, чем потребляет электрической энергии был открыт исследователями в США. Устройство, для которого обычный коэффициент полезного действия свыше 200% - ведет себя как своего рода оптический тепловой насос, который преобразует колебания решетки в инфракрасные фотоны, охлаждая свои окрестности в этом процессе. Возможность такого устройства была впервые предсказана в 1957 году, но практические версии не удавалось создать до сих пор. Потенциальные применения этого явления включают энергоэффективное освещение и криогенное охлаждение.
Энергия фотонов, испускаемых светодиодом определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводника - энергия, необходимая, для того чтобы создать электрон-дырочную пару. Когда электрон и дырка рекомбинируют в радиационном процессе, фотон уносит избыточную энергию. Напряжение на светодиоде создает пары электрон-дырка, но его значение не влияет на энергию фотона, так как ширина запрещенной зоны полупроводника является постоянной характерной для каждого материала.
Тем не менее, отдельные фотоны могут иметь энергию отличную от энергии запрещенной зоны. Подавляющее большинство электронно-дырочных рекомбинаций действительно приводят к выделению тепла, которое поглощается полупроводником в виде квантованных колебаний решетки называемых фононами. Эти колебания создают термостат, который затем может увеличить энергию фотонов, возникающих при излучательной рекомбинации. В 1957 году Ян Тауца (Jan Tauc) из института технической физики в Праге заметил, что такой механизм обеспечивает отвода тепла излучением от решетки полупроводника, и нет никакого барьера в принципе светодиоду иметь эффективность более 100%, причем в этом случае светодиод на самом деле охлаждал бы свои окрестности.
Подчиняется второму закону
На первый взгляд это преобразование бесполезного тепла в полезные фотоны может выглядеть как нарушение фундаментальных законов термодинамики, но ведущий исследователь Партхибан Сантанам (Parthiban Santhanam) из Массачусетского технологического института объясняет, что процесс полностью согласуется со вторым законом термодинамики. «Самый противоречащий аспект этого результата в том, что мы обычно не думаем о свете как о форме тепла. Обычно мы игнорируем энтропию и думаем о свете как о работе», объясняет он. «Если фотоны не имеют энтропии (то есть, если они являются одной из форм работы, а не теплоты), то это будет нарушать второй закон. Вместо этого, энтропия появляется в исходящих фотонах, так что второй закон выполняется».
Несмотря на физическую обоснованность, за последние пять лет никто не сумел продемонстрировать светодиод, на самом деле охлаждающий свои окрестности. Некоторые исследователи пытались увеличить количество производимых фотонов, увеличивая напряжение смещения через светодиод, но это также увеличивает тепло производимое в безызлучательных рекомбинациях.
А вот, Сантанам и его коллеги сделали прямо противоположное и уменьшили напряжение смещения, сделав его всего лишь 70 мкВ. Кроме того, они нагревали светодиод до 135°C, чтобы обеспечить более высокую температуру решетки. В этом режиме, менее 0,1% электронов, проходящих через светодиод производили фотоны. Тем не менее, когда исследователи измерили мельчайшую мощность инфракрасного излучения светодиода, они получили, что 70 пВт мощности светодиод излучил, в то время как только 30 пВт им было потреблено, то есть, эффективность более чем 200%. Это происходит потому, когда напряжение приближается к нулю то, как световой поток, так и мощность потерь также стремятся к нулю. Однако, рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату тока, а световой поток пропорционален току - удвоение напряжения смещения, поэтому удваивает эффективность.
Важный прорыв
Одно из возможных применений эффекта - холодильное устройство, которое отводит тепло в виде света. В качестве эксперта в этой области, Юкка Тулкки (Jukka Tulkki) из Университета Аалто в Финляндии, сказал для physicsworld.com: «Я думаю, что это исторически важное достижение ... что в конечном счете может привести к более полезным и технически значимым приложениям». Однако он предупреждает, что мощность охлаждения данного устройства крайне низкая и не достаточна для какого-либо практического применения.
Сантанам, между тем, считает, что принцип может найти применение не только для охлаждения. «Мое личное мнение таково, что более вероятная польза от этого качестве источника света», говорит он. «Холодильники в основном, полезны, когда они большой мощности, а вот источники света используется повсюду. В частности, источники света для спектроскопии и связи не обязательно должны быть очень яркими. Они просто должны быть яркими, чтобы достаточно четко отличаться от некоторых фоновых шумов».