在美国空*科学研究办公室项目支持下，美国华盛顿大学的研究人员使用红外激光将固体半导体冷却至少低于室温20摄氏度，有望彻底改变从生物成像到量子通信等领域。研究成果于6月23日发表在《自然-通讯》。该研究团队是首个展示“纳米级传感器的固态激光制冷”的团队。
研究基础
年，华盛顿大学的研究人员宣布，可以使用激光将水和其他液体冷却到室温以下。
结构
该装置是一个悬臂--类似于跳水板。与跳水者跳下水后的跳板一样，悬臂可以在室温下对热能作出反应而以特定频率振动。这样的器件可用于制作理想的光学机械传感器，振动可以被激光检测到。但该激光也会加热悬臂，削弱其性能。
在实验设置中，如下图所示，从一块硅块（Si）中延伸出来一条微小的硫化镉带或纳米带（CdSNR），并且会在室温下自然地发生热振荡。在这块悬臂的末端，团队放置了一个微小的陶瓷晶体（Yb:YLF），其中含有一种特殊类型的杂质--镱离子。当研究小组将一束红外激光聚焦在晶体上时，杂质会吸收晶体的少量能量，发出比红外激光波长更短的光。这种“蓝移发光”（blueshift）效应使陶瓷晶体和它所附着的半导体纳米带冷却。论文共同作者、华盛顿大学分子工程专业博士生XiaojingXia说：“这些晶体是用特定浓度的镱精心合成的，以最大限度地提高冷却效率”。
红外光
华盛顿大学材料科学与工程教授、西北太平洋国家实验室的高级科学家、主要作者PeterPauzauskie说：“从历史上看，纳米级器件的激光加热是一个应被解决的主要问题。我们使用红外光来冷却谐振器，这可以减少系统中的干扰或‘噪音’。这种固态制冷方法可以显著提高光机械谐振器的灵敏度，拓宽其在消费电子、激光和科学仪器中的应用，并为光子电路等新应用铺平道路。”
实验效果
研究人员使用两种方法来测量激光对半导体的冷却程度。首先，他们观察到了纳米带的振荡频率的变化。Pauzauskie说：“纳米带在冷却后变得更硬、更脆，更耐弯曲和压缩，因此可以更高的频率振荡，证实了激光已经冷却了谐振器。”团队还观察到，随着激光功率的增加，晶体发出的光基本上转向更长的波长，这也表明了冷却。
利用这两种方法，研究人员计算出谐振器的温度比室温下降了20摄氏度。制冷效应只需要不到1毫秒的时间，并且只要激发激光器开启就会持续。
优势和应用前景
由于谐振器性能的提高和冷却谐振器的方法，该成果具有广泛的潜在应用。半导体谐振器的振动使其成为有用的机械传感器，可用于检测各种电子产品中的加速度、质量、温度和其他特性，如用于检测智能手机朝向的加速度计。减少干扰可以提高这些传感器的性能。此外，与试图冷却整个传感器相比，使用激光来冷却谐振器是一种更有针对性的方法，可以提高传感器的性能。
研究人员说，这种方法还有其他潜在的应用。它可以构成高度精确的科学仪器的核心，利用共振器振荡的变化来精确测量物体的质量，如单个病*粒子。冷却固体部件的激光器还可以用来开发冷却系统，使电子系统中的关键部件不会过热。
论文主要作者、华盛顿大学材料科学与工程专业的博士生AnupumPant说：“在未来几年，我将热切地期待看到我们的激光冷却技术被各个领域的科学家采用，以提高量子传感器的性能。”
补充信息
美国空*科学研究办公室MURI:MARBLe项目提供资金支持。样品表征在华盛顿大学分子分析设施进行，美国国家科学基金会（NSF）、华盛顿大学、分子工程与科学研究所、清洁能源研究所和美国国家卫生研究院提供部分支持。
信息来源AnupumPantetal,Solid-statelaserrefrigerationofa
