Cookies op Tweakers

Tweakers maakt gebruik van cookies, onder andere om de website te analyseren, het gebruiksgemak te vergroten en advertenties te tonen. Door gebruik te maken van deze website, of door op 'Ga verder' te klikken, geef je toestemming voor het gebruik van cookies. Wil je meer informatie over cookies en hoe ze worden gebruikt, bekijk dan ons cookiebeleid.

Meer informatie

Wetenschappers koelen elektronen tot -228 graden Celsius bij kamertemperatuur

Door , 55 reacties, submitter: ADQ

Wetenschappers van de Amerikaanse University of Texas at Arlington hebben een manier bedacht om elektronen bij kamertemperatuur tot -228 graden Celsius te koelen. Op termijn kan dit betekenen dat elektrische apparaten veel minder energie nodig hebben.

Elektronen warmen door thermische activiteit op bij kamertemperatuur. De onderzoekers probeerden om die activiteit te onderdrukken zonder daarvoor externe koeling te gebruiken. Ze stuurden daarbij de elektronen door een kwantumput. Hiervoor gebruikten zij bij een chip een structuur op nanoschaal, waarbij ze opeenvolgend een bronelektrode, een kwantumput, een tunnelbarrière, een zogeheten 'quantum dot', weer een tunnelbarrière en een elektrode gebruikten.

De resultaten van het onderzoek verschenen deze week in Nature Communications. De wetenschappers claimen voor het eerst elektronen te hebben gekoeld bij kamertemperatuur zonder externe hulp. "Onderzoekers hebben hier eerder naar gekeken, maar dat gebeurde alleen waarbij zij de complete apparatuur in een extreem koud bad onderdompelden", zo legt een hoofddocent van de universiteit uit aan Science Daily.

De onderzoekers menen dat wanneer deze techniek mogelijk ooit zal worden geïmplementeerd in transistors, het energieverbruik van elektronische apparaten mogelijk tot tien keer kan worden verminderd in vergelijking met de huidige technologie. Dit betekent dat onder andere smartphones langer op een enkele acculading werken. Daarnaast, zo stellen de wetenschappers, kan de technologie nuttig zijn voor soldaten, die kleinere accu's kunnen gebruiken en daardoor mobieler zijn.

Door Yoeri Nijs

Nieuwsposter

12-09-2014 • 22:05

55 Linkedin Google+

Submitter: ADQ

Reacties (55)

Wijzig sortering
Na nog wat lezen in het nature artikel zelf:

Normaal zijn er altijd 'warme' en 'koude elektronen dwz elektronen met veel energie en met weinig energie. Deze zijn verdeeld aan de hand van een normaal verdeling (dat is wat biltzmann bedacht, of beter ontdekt heeft). Daardoor is de temepratuur gemiddeld kamertemp. Door de quantum well en quantum dot worden alleen de elektronen met hele lage energie doorgelaten. Deze krijgen niet de kans om weer op te warmen, door de quantum structuur. Het is dus niet echt koelen, maar meer selecteren.

Dat is wat ik ervan begreep na enkele regels dus pin me er niet op neer, ben geen natuurkundig ingenieur!
Eigenlijk maxwell's demon dus !
http://nl.wikipedia.org/wiki/Maxwells_demon

Ik vraag me wel af hoe dit thermodynamisch in elkaar zit dan.
Ik ben geen natuurkundige en kan ook niet bij het echte artikel, maar in het interview staat:
The team used a nanoscale structure -- ... -- to suppress electron excitation and to make electrons cold.
Dat komt bij mij niet over alsof er "kalme" elektronen worden geselecteerd, maar eerder alsof alle elektronen kalm worden gemaakt of gehouden.
Maaruh, kost die koeling niet heel veel energie?
niet perse, een elektron is een verzameling van bewegende delen rond een atoom, door deze te koelen beinvloed je de beweging zodat de atomische eigenschappen veranderen.

In principe tracht je dus de activiteit van de elektron te verminderen door te koelen, maar dat koelen hoeft volgens mijn redenatie niet de manier van koelen zoals een airco of diepvriezer te zijn.

Ze ontwikkelen een manier om dus op kamertempratuur, de beweging van de elektronen te 'vertragen', dit omschrijven ze dus als koelen.

PS dit is louter wat ik uit het artikel haal en wat ik ooit op school heb geleerd, indien iemand dit beter/correcter kan uitleggen, ga uw gang aub :)
Ja koelen is dan een volledig misplaatste term, anders gaat dit namelijk tegen de Kelvin of Clausius statement in (en dat kan niet).

Temperatuur van electronen wordt vaak uitgedrukt in eV, dat is dus energie. Door te delen door de constante van Boltzmann krijg je temperatuur. Omdat dit echter om individuele electronen gaat kan je niet zomaar allerlei thermodynamische wetten gaan toepassen.
De energie wordt omgezet in potentiŽle energie. Dus met natuurkundige wetten is niet zo veel aan de hand.
De term is juist ongepast omdat koelen beteken warmte afstaan aan de omgeving. Je zegt ook niet tegen een motor dat die de lucht afkoelt maar dat de motor arbeid (/werk) verricht.
Dat is wat ik zei: Met natuurkundige wetten is er natuurlijk niets aan de hand omdat warmte nu niet de goede term is. Warmte is energie uitwisseling tussen twee systemen die in thermisch onbalans zijn. In dit geval vind er dus geen uitwisseling plaats van energie waardoor de Clausius satement stand houdt. Echter, als er sprake was van warmte, dan kan een electron niet afkoelen zonder er energie bij te gebruiken omdat de Clausius statement (dus gewoon de 2e wet) dat verbiedt.
Temperatuur van electronen wordt vaak uitgedrukt in eV, dat is dus energie. Door te delen door de constante van Boltzmann krijg je temperatuur. Omdat dit echter om individuele electronen gaat kan je niet zomaar allerlei thermodynamische wetten gaan toepassen.
en
Met natuurkundige wetten is er natuurlijk niets aan de hand omdat warmte nu niet de goede term is. Warmte is energie uitwisseling tussen twee systemen die in thermisch onbalans zijn. In dit geval vind er dus geen uitwisseling plaats van energie waardoor de Clausius satement stand houdt. Echter, als er sprake was van warmte, dan kan een electron niet afkoelen zonder er energie bij te gebruiken omdat de Clausius statement (dus gewoon de 2e wet) dat verbiedt.
M.a.w. voor de normale sterveling: afkoelen is misplaatst omdat dat suggereerd dat er warmte is die moet worden afgevoerd. In dit geval hebben zij een methode ontwikkeld die 'voorkomt' dat er eenzelfde hoeveelheid warmte (c.q. energie?) ontstaat (bij kamertemperatuur). Omdat deze methode zo 'efficiŽnt' is, kun je de waarde in Celcius dus als minus uitdrukken. Wat in feite in neerkomt op dat je dus veel minder (of niet) hoeft te koelen, omdat het in eerste plaats minder warmte produceert.

Correct? ;)

[Reactie gewijzigd door dwarfangel op 13 september 2014 14:40]

Je hebt volgens mij deels gelijk. Wat ze hier gedaan hebben volgens mij:

Een electron beweegt normaal van links naar rechts en van boven naar onder. En gaat door geleiding en + en - sneller van de 1ne kant naar de andere kant en weer terug.

Hier hebben ze een manier gevonden om van + naar - te gaan met veel minder zijwaartse bewegingen.

Simpel gezegd: er zijn 2 fietsers. Ze krijgen alle 2 een broodje en een drankje en fietsen beide dezelfde afstand en het drankje en broodje geven beide dezelfde energie:

Fietser 1 krijgt een broodje en een drankje, maar in het drankje zit alcohol waardoor hij slingert. Hij doet over 1 km 2 x zolang als fietser 2 en verliest veel energie met extra zijwaartse bewegingen en botst tegen de vangrails die de energie absorbeert en warm wordt..

Fietser 2 daarentegen heeft ook een broodje en een drankje maar geen alcohol. Hij heeft evenveel energie als fietser 1 maar kan in een rechte lijn fietsen. Daardoor gaat hij niet alleen sneller hij verspilt ook minder energie en knalt niet tegen de vangrails aan waardoor deze ook niet warm worden.

Uiteindelijk komt fietser 1 dus brak en futloos met een kater aan.

En is fietser 2 veel fitter.

Ik denk dat het zo zit maar er is een kans dat ik er volledig naast zit!? :X
Zal ik sterker vertellen het mooie van dit onderzoekresultaat is dat het juist kan werken bij maar zeer weinig energie.

Voor mensen die eventueel verder geÔntresseerd zijn:
http://www.uta.edu/news/r...lectroncooling-nature.php
een elektron is een verzameling van bewegende delen rond een atoom
Nou nee, zo heb je het vast niet op school geleerd. Buiten de quantumtheorie, m.a.w. in de elementaire natuurkunde is het electron het kleinste deeltje dat er bestaat en niet een verzameling van deeltjes. Verder bewegen elektronen zich rond de kern van een atoom, met andere woorden in en niet rond een atoom.
Verdere gedachten over het eigenlijke onderwerp heb ik niet. Het is gewoon een nogal summier artikel met te weinig details om er hoe dan ook iets verstandigs over te zeggen.
ja je kunt electronen ook als ee discrete golffunctie zien. ik denk dat je meer in die richting moet zoeken in dit geval want met de havo natuurkunde kom er nu niet mee.
Om de elektronen te vertragen moet je energie weghalen bij de elektronen. Die je vervolgens ergens anders moet zien te dumpen. Het is de de zelfde principe als dat van een airco.
Niet helemaal correct:

Protonen, neutronen en elektronen zijn de deeltjes waaruit atomen zijn opgebouwd. Protonen en neutronen bevinden zich in de atoomkern. Elektronen bevinden zich in 'schillen' in een elektronenwolk om de atoomkern heen.

Protonen zijn kleine positief geladen deeltjes. Een proton heeft een lading van +1. Elektronen zijn zeer kleine negatieve deeltjes. Een elektron heeft een lading van −1e. Neutronen zijn ongeladen deeltjes.
Ik kan hier maar ťťn fout in vinden, en dat is: "een elektron is een verzameling van bewegende delen rond een atoom". Een elektron is inderdaad een onderdeel van een atoom, maar het is geen verzameling bewegende delen. Bij atomen met meerdere elektronen is er inderdaad sprake van een "verzameling" bewegende delen, namelijk de elektronen die in banen (schillen) rond de kern bewegen. Wil je het Wikipedia artikel over elektronen, klik dan hier ergens in deze zin.
Elektronen bewegen wel, waterstof is zelfs helemaal apart die heeft 1 enkele elektron die verspring van baan en doet die door "teleporteren", dat doet geen enkele andere elektron, en als die van baan veranderd dan veranderd ook zijn energie, dichten bij atoom heeft die minder energie dan dat baan die verder weg staat. Waterstof elektron verdwijnt en verschijnt ineens weer in andere baan.

Sowieso alles wet temperatuur heeft heeft bewegingsenergie T in zich, alleen dingen die 0K zijn bewegen niet. :)
Volgens mij staat er dat er geen externe koeling gebruikt hoeft te worden om dit te bereiken. Ook staat er in het nieuwsbericht dat het juist energie bespaard, dus het antwoord op jou vraag is daarom "nee".
Volgens mij is de denkfout die je maakt, de omschrijving van temperatuur.
Normaal gesproken heeft temperatuur betrekking op atomen en moleculen. Hierdoor ontstaat ook gas bij verwarmen van materiaal, etc. Het stuk hier op tweakers heeft betrekking op electronen, een van de onderdelen van een atoom.

Wat ik wil zeggen: wat in dit stuk wordt beschreven gaat een niveau verder als wat je op school hebt geleerd over temperatuur. Er zullen hierbij andere ook regels en formules gelden mbt energie.
Misschien minder dan externe koeling.
Een thermocouple een warme las en koude las. En wanneer er een stroompje loopt zal de koude las kouder worden. Dus dit werkt volgens het zelfde principe.

Dit blijft voor mij een vage verhaal. Want iets kouder maken betekent dat er energie wordt weggehaald. Mijn vraag is waar gaat die energie naar toe. Dus om deze koeling te verkrijgen moet er constant een stroom lopen wat weer energie kost.

[Reactie gewijzigd door Amazigh_N_Ariff op 12 september 2014 22:33]

Uit het bronartikel: Electrons are thermally excited even at room temperature, which is a natural phenomenon. If that electron excitation could be suppressed, then the temperature of those electrons could be effectively lowered without external cooling, Koh said.

Van Wiki http://nl.wikipedia.org/wiki/Aangeslagen_elektron: De elektronen in atomen zijn zo klein dat de regels van de kwantummechanica voor ze gelden. Eťn van de belangrijke consequenties daarvan is dat ze niet elke willekeurige energie kunnen hebben, maar dat er afhankelijk van de positie van het atoom en andere atomen vaste banen voor de elektronen zijn die elk een discrete potentiŽle energie hebben. Elke baan kan precies twee elektronen bevatten. Onder normale omstandigheden zullen de elektronen de baan opzoeken die de laagste potentiŽle energie heeft.

Wanneer aan een elektron energie wordt toegevoegd, bijvoorbeeld doordat het de energie uit een foton absorbeert, of door een botsing van een elektron met hoge snelheid met een molecuul of atoom in een gasontlading, kan het elektron daardoor in een baan met een hogere potentiŽle energie komen. Zo'n elektron heet een aangeslagen elektron. Deze toestand zal over het algemeen niet lang bestaan: omdat er een lagere baan beschikbaar is zal het elektron op een gegeven moment zelf de lagere potentiŽle energie weer opzoeken, en de energiewinst die het daarbij krijgt weer aan de omgeving afstaan, bijvoorbeeld door het uitzenden van een nieuw foton. (ook warmte is een foton)


Zoals ik het lees zorgt deze techniek ervoor dat de elektronen niet in baan met hogere energie komen, en dus niet terug zullen vallen naar een lagere baan, waardoor geen warmte vrijkomt, wat normaal gesproken blijkbaar wel continue plaats vindt.
Dat is correct. De electronen worden niet aangeslagen door energie op te nemen, waardoor ze geen energie af staan bij het terug gaan naar de neutrale positie, omdat ze hier dus gewoon in blijven.
Koude las wordt niet kouder. Door een spanningsverschil tussen koude en warme las kan je een temperatuur meten. Koude en warme las zijn 2 verschillende metalen, maar heeft niks metvwarm of koud te maken.

PiŽzo element, ene deel is warm, andere deel is koud. Dat met de quantum tunnel gaat me iets te ver :+.
Wel mooi dat er dus weer iets is uitgevonden om energieverbruik te verminderen/verbeteren.

[Reactie gewijzigd door PM_Petrol op 12 september 2014 22:45]

Ik vind dit niet eens zo gek klinken...
De elektronen in de transistor "doen" iets, waardoor zij energie gaan opnemen, en niet afgeven... Je moet immers energie gaan toevoeren. Het is dan ook zonde, dat een groot deel van de toegevoegde energie in warmte wordt omgezet. Wanneer deze elektronen nu enkel de energie verbruiken die ze nodig hebben om hun "taak" te verrichten, worden deze dus superefficient! Vergelijk het met een gloeilamp :-)
Buiten de wetenschappelijk prestatie: wat een dramatisch kinderachtig voorbeeld van een praktische toepassing: "handig voor soldaten, hoeven ze minder gewicht mee te nemen" |:(
Viel me ook op. Maar door dit een keer of 25 te benadrukken kunnen ze straks daar aankloppen voor budget om dit verder te onderzoeken/ontwikkelen. Alles draait om geld, helaas. Dus daar moet men op inspelen. Ze weten namelijk ook wel dat technologiebedrijven niet miljoenen gaan ophoesten voor iets waar ze misschien over 15 jaar wat hebben. Maar overheidsinstanties zijn wat makkelijker met belastingsgeld.

[Reactie gewijzigd door dangerpaki op 13 september 2014 07:00]

Dit is inderdaad een zeer 'shameless plug' gericht aan Darpa, om ook wat onderzoeksgeld in de wacht te slepen. Dit kunnen we de onderzoekers helaas niet kwalijk nemen, om funding bedelen hoort bij hun werk... Tweakers daarentegen zou wel iets strenger mogen filteren... Niet elke (on)zin die men uitkraamt moet op de frontpage geplaatst worden.
of ze krijgwn al gewoon subsidie vanwege dat het dus voordeliger kan zijn.. vergeet niet dat heel HEEL veel technologie ontstaan is vanwege defensie en ruimtevaart...
Zonder DARPA was er geen Internet geweest en had je nu in jezelf zitten mompelen....
Er was echt wel internet geweest. Had misschien een paar jaar langer geduurd, dat wel. Maar zonder DARPA had de ontwikkeling echt niet stil gestaan.
GPS, straalmoteren, Internet, ruimtevaart en nog meer leuke dingen waren niet tot stand gekomen zonder 'government funding', in die zin dat er ťťrst naar toepassingen binnen Defensie is gekeken.

Ja, achteraf kun je makkelijk zeggen dat het 'er ťcht wel gekomen was'. Maar als jij nu zelf even iets wil uitvinden wat niemand heeft en iedereen wil hebben, dan hoor ik het graag. En het mag niet gebaseerd zijn op militaire technologie.
DARPA is echt niet heilig hoor. Het is gewoon een grote bak met geld waar iedereen in ligt te graaien... Geld dat anders wel naar private bedrijven gegaan was die het ook wel geÔnvesteerd hadden

En ja, achteraf kun je dat makkelijk zeggen, omdat de geschiedenis dit al vaak genoeg uitgewezen heeft. Er zijn heel veel voorbeelden van uitvindingen / ideeŽn / technologieŽn die door meerdere personen of bedrijven min of meer tegelijkertijd uitgevonden zijn. Op een gegeven moment is de tijd er rijp voor. Als DARPA niet bestaan had (of het project niet gefund had) dan was 'het internet' er hoogstens een paar jaar later geweest.
Maar als jij nu zelf even iets wil uitvinden
Waarom? Heb ik anders geen recht van spreken of zo?
Wat heb jij dan uitgevonden? Je kunt wel wat drogredenen er tegenaan gooien maar daarmee heb je niet ineens gelijk of zo hoor

[Reactie gewijzigd door OddesE op 16 september 2014 17:02]

Nee, zonder DARPA had de ontwikkeling niet stil gestaan, dat klopt. Maar we zijn waar we zijn door dit soort instellingen en een groot deel van wat we nu hebben is gebaseerd op militaire toepassingen. Of dat achteraf nu wel of niet ontstaan zou zijn als er gťťn 'militair budget' aan gespendeerd is, is koffiedik kijken.
Idd. Alsof kleinere accu's alleen voor soldaten handig zijn...
Wat ik me nu afvraag is zoiets ook geschikt zou zijn voor bijvoorbeeld elektrische auto's. Als daar het verbruik om 10 x minder wordt, dan wordt je maximale afstand die je kunt afleggen ineens wel aanzienlijk groter.
Nee, dit werkt voor elektronica. De bulk van het verbruik van een elektrische auto komt uit het overwinnen van rol- en luchtweerstand.
Het grootste energieverlies daar is gewoon nog steeds de luchtwrijving met de auto, niet de warmteontwikkeling in de motor.
met mijn mavo natuurkunde en wet van balans/behoud van energie; leuk zo'n put, maar wat kost het om hem te maken en in stand te houden?
Wordt een vet krachtige stirlingmotor, maar ook zonnepanelen kunnen efficiŽnter worden.
Dat ze dat eens 10 jaar geleden moesten denken. Ze werden voor gek verklaard.
vet! .. dit met iets als Graphene Supercapacitors en transistors van enkele nano meters met nog minder energieverbruik = heul veul battery juice over een jaar of 20
koolstof(graphene) heeft juiste de eigenschap beter te geleiden bij hogere temperaturen. Het is volgens de elektro-term een NTC materiaal.

[Reactie gewijzigd door Amazigh_N_Ariff op 12 september 2014 22:40]

Ontzettend belangrijke ontwikkeling voor toekomstige verbeteringen. Omdat we een beetje aan het einde van morse law zijn gekomen is het nu zoeken naar manieren om toch sneller te blijven gaan. Hitte is daarbij een groot probleem en deze stap is essentieel in die oplossing. Leuk om te zien hoe verschillende quantumstructuren (alhoewel ik alleen quantum dot hier een echte vind) gecombineerd worden.

Op dit item kan niet meer gereageerd worden.


Apple iPhone X Google Pixel 2 XL LG W7 Samsung Galaxy S8 Google Pixel 2 Sony Bravia A1 OLED Microsoft Xbox One X Apple iPhone 8

© 1998 - 2017 de Persgroep Online Services B.V. Tweakers vormt samen met o.a. Autotrack en Hardware.Info de Persgroep Online Services B.V. Hosting door True

*