Общеизвестно, что лазеры способны нагревать объекты. Недавние исследования показывают, что они могут и совершенно противоположное — охлаждать. Охлаждающие лазеры обещают произвести революцию в различных областях.
В 2015 году исследователи из Вашингтонского университета объявили, что могут использовать лазер для охлаждения воды и других жидкостей. Теперь та же самая команда использовала аналогичный подход для охлаждения твердого полупроводника. В статье, опубликованной 23 июня 2020 года в журнале Nature Communications, команда исследователей рассказывает об использовании инфракрасного лазера для охлаждения твердого полупроводника по крайней мере на 20°C.
Устройство, называющееся кантилевер, похоже на трамплин для прыжков в воду. Подобно трамплину после прыжка, кантилевер может вибрировать с определенной частотой. Но кантилевер не нуждается в прыгуне, чтобы вибрировать. Он может колебаться в ответ на тепловую энергию. Подобные устройства могли бы стать идеальными оптико-механическими датчиками, колебания которых могут быть обнаружены лазером. Но лазер сам будет нагревать кантилевер, снижая его эффективность.
Метод твердотельного охлаждения может значительно повысить чувствительность оптико-механических резонаторов, расширить их применение в бытовой электронике, лазерах и научных приборах, а также проложить путь для новых применений.
В экспериментальной установке крошечная лента (или нанолента) из сульфида кадмия протянулась от бруска кремния — и, естественно, подверглась бы тепловым колебаниям при комнатной температуре.
В конце этой ленты («трамплина для прыжков») команда поместила крошечный керамический кристалл, содержащий определенный тип примесей — ионы иттербия. Когда команда сфокусировала инфракрасный лазерный луч на кристалле, примеси поглощали небольшое количество энергии от кристалла, заставляя его светиться с излучением, имеющим длину волны меньше, чем у света возбуждающего лазера. Этот эффект «голубого смещения» охлаждал керамический кристалл и полупроводниковую наноленту, к которой тот был прикреплен.
Исследователи использовали два метода, чтобы измерить, насколько лазер охлаждает полупроводник. Во-первых, они наблюдали изменения частоты колебаний нановолокна. После охлаждения нановолокно становится более жестким и хрупким — более устойчивым к изгибу и сжатию. В результате он колеблется на более высокой частоте, что подтверждает, что лазер охладил резонатор.
Команда также заметила, что свет, испускаемый кристаллом, смещается в среднем на более длинные длины волн по мере увеличения мощности лазера, что также указывает на охлаждение.
Используя эти два метода, исследователи подсчитали, что температура резонатора упала на целых 20°C. Эффект охлаждения длился менее 1 миллисекунды и продолжался до тех пор, пока был включен возбуждающий лазер.
Помимо повышения производительности квантовых датчиков, метод имеет потенциал для использования и в других областях применения. Он мог бы стать сердцем высокоточных научных приборов, использующих изменения колебаний резонатора для точного измерения массы объекта, например, одной вирусной частицы. Лазеры, охлаждающие твердые компоненты, могут также использоваться для разработки систем охлаждения, предохраняющих ключевые компоненты электронных систем от перегрева.
По материалам www.sciencedaily.com
