一般來說激光是用來加熱物體的，但近日華盛頓大學(xué)一組研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)展示了激光冷凍材料的潛力，有望顛覆從生物成像到量子通信等領(lǐng)域。
早在2015年該團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)宣布可以利用激光將水和其他液體冷卻至室溫以下，近日該團(tuán)隊(duì)又用類似的方法來冷卻固體半導(dǎo)體。該論文發(fā)表在《自然通訊》上，他們可以使用紅外激光將固體半導(dǎo)體冷卻到比室溫低至少20攝氏度。
研究人員使用的裝置是一個(gè)懸臂，類似于跳水板。就像游泳者跳入水中后的跳板一樣，懸臂可以以特定的頻率振動(dòng)。但這個(gè)懸臂不需要潛水員來震動(dòng)。在室溫下，它會(huì)因熱能而振蕩。這樣的設(shè)備可以成為理想的光學(xué)機(jī)械傳感器，激光可以探測(cè)到它們的振動(dòng)。但是激光也會(huì)加熱懸臂，從而降低了它的性能。
華盛頓大學(xué)材料科學(xué)與工程教授彼得·鮑佐斯基（Peter Pauzauskie）說：“在歷史上，納米級(jí)設(shè)備的激光加熱是一個(gè)被掩蓋的主要問題。我們使用紅外光冷卻諧振器，以減少系統(tǒng)中的干擾或‘噪音’。這種固態(tài)制冷方法可以顯著提高光學(xué)機(jī)械諧振器的靈敏度，擴(kuò)大其在消費(fèi)電子、激光器和科學(xué)儀器中的應(yīng)用，并為光子電路等新應(yīng)用鋪平道路。”
研究人員表示他們是第一個(gè)展示“納米傳感器固態(tài)激光制冷”技術(shù)的團(tuán)隊(duì)。
由于諧振腔性能和冷卻方法都在不斷改進(jìn)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有廣泛的應(yīng)用前景。半導(dǎo)體諧振器的振動(dòng)特性使其成為一種有用的機(jī)械傳感器，用于探測(cè)加速度、質(zhì)量、溫度和各種電子產(chǎn)品中的其他特性，例如用于探測(cè)智能手機(jī)朝向的加速度計(jì)。減少干擾可以提高傳感器的性能。此外，與冷卻整個(gè)傳感器相比，使用激光冷卻諧振器是一種更有針對(duì)性的提高傳感器性能的方法。
在懸臂的末端，研究小組放置了一個(gè)微小陶瓷晶體，其中含有一種特殊的雜質(zhì)，鐿離子。當(dāng)研究小組將紅外線激光束聚焦到晶體上時(shí)，雜質(zhì)從晶體中吸收了少量的能量，使其在波長(zhǎng)比激發(fā)晶體的激光顏色短的光線中發(fā)光。這種“藍(lán)移輝光”效應(yīng)冷卻了陶瓷晶體及其上的半導(dǎo)體納米帶。
研究人員表示這些晶體是用特定濃度的鐿精心合成的，以最大限度地提高冷卻效率。研究人員使用了兩種方法來測(cè)量激光冷卻半導(dǎo)體的程度。首先，他們觀察到納米帶振蕩頻率的變化。
鮑佐斯基說：“納米帶在冷卻后變得更硬、更脆、更能抵抗彎曲和壓縮。因此，它以更高的頻率振蕩，這證實(shí)了激光已經(jīng)冷卻了諧振器。”
研究小組還觀察到，隨著激光功率的增加，晶體發(fā)出的光平均轉(zhuǎn)移到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，這也表明發(fā)生了冷卻。
通過這兩種方法，研究人員計(jì)算出諧振器的溫度比室溫低了20攝氏度。不到1毫秒就能產(chǎn)生制冷效果，而且只要激發(fā)激光持續(xù)作用，制冷效果就會(huì)持續(xù)存在。
研究人員表示很期待他們的激光冷卻技術(shù)在未來幾年內(nèi)被各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家采用，以提高量子傳感器的性能。這種方法還有其他潛在的應(yīng)用。它可以成為高精度科學(xué)儀器的核心，利用諧振器振動(dòng)的變化來精確測(cè)量一個(gè)物體的質(zhì)量，比如單個(gè)病毒粒子。冷卻固體部件的激光也可用于開發(fā)冷卻系統(tǒng)，防止電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件過熱。
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