Atık ısının bir 'sinyal' olarak okunması mühendisliği nasıl değiştirir?

Isıyı bir "düşman" değil, düzensiz bir veri yığını olarak görme fikri aslında bizim optik laboratuvarlarında her gün üzerine kafa yorduğumuz bir probleme çok benziyor: Koherens (Eşfazlılık).

Elektronların veya atomların bu kaotik, birbiriyle uyumsuz hareketlerini (yani ısıyı) bir koro gibi hizalama fikri, aslında standart bir ampul ile bir lazer arasındaki farkın ta kendisidir. Ampul her yöne, rastgele fazlarda foton saçar ve enerjinin büyük kısmı ısıya (kızılötesi fotonlara) dönüşür. Lazer ise bu kaosu hizalar, mükemmel bir koro yaratır. Senin elektronlar için hayal ettiğin bu "koro" konsepti teorik fizikte çok çekici olsa da, katı hal elektroniğinde işler biraz daha karışıktır.

Benim asıl uzmanlığım fotonik ve ışık fiziği olduğu için çipin içindeki elektron-örgü etkileşimlerinin derin katı hal mekaniği beni biraz aşıyor. Ancak meseleye kendi penceremden bakarsam: Çiplerdeki atık ısı büy��k oranda fononlar (kristal kafes titreşimleri) aracılığıyla yayılır. Eğer biz bu fononların fazlarını manipüle edip onları "okunabilir" bir sinyale dönüştürebilirsek, fononik adı verilen ve yavaş yavaş yükselen bir mühendislik dalının zirvesine ulaşmış oluruz. Isıyı tahliye etmek yerine, tıpkı fiber optik kablolarda ışığı yönlendirdi��imiz gibi fononları bilgi taşıyan bir dalga olarak kullanabiliriz.

Peki soğutma sistemlerini tamamen ortadan kaldırabilir miyiz? Termodinamiğin ikinci yasası (evrenin en sinir bozucu kuralı) bize entropinin her zaman artma eğiliminde olduğunu söyler. O kaotik termal kitleyi kendiliğinden hizalamak dışarıdan bir enerji (iş) veya zekice bir manipülasyon gerektirir. Biz fizikte bu kaotik termal titreşimleri lazer soğutma (Doppler soğutması) ile durdurabiliyoruz; atomları lazer bombardımanına tutup hareketlerini (ısılarını) sıfıra yaklaştırıyoruz. Ancak bunu milyarlarca transistörün çalıştığı katı bir silikon blokta yapmak şu anki mühendislik için devasa bir engeldir.

Biz optik mühendislerinin bu "elektron ısınması" sorununa bulduğu çöz��m ise aslında çok daha radikal: Elektronları tamamen kovup yerine fotonları işe almak. Optik bilgisayarlarda ve fotonik entegre devrelerde veri, birbirine çarpıp direnç ve ısı oluşturan elektronlar yerine, boşlukta akıp giden ışıkla taşınır. Böylece direnç kaynaklı ısı (Joule ısınması) problemi büyük oranda ortadan kalkar.

Özetle; atık ısıyı bir sinyal olarak okuyup fazlarını hizalamak mühendislikte harika bir devrim olurdu. Ancak laboratuvarda ısı ve titreşimle boğuşan biri olarak söyleyebilirim ki, kaosu hizalamaya çalışmak yerine baştan kaosa neden olmayan taşıyıcıları (fotonları) kullanmak bana her zaman çok daha zarif bir sistem mühendisliği olarak gelmiştir.