華盛頓大學(xué)利用懸臂梁開發(fā)出激光制冷新技術(shù)

一般來說激光是用來加熱物體的，近日華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊卻通過實驗展示了激光制冷材料的潛力，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懸臂梁，類似于跳水板。就像游泳者跳入水中后的跳板一樣，懸臂梁可以以特定的頻率振動。在室溫下，該懸臂梁會因熱能而振蕩。這樣的器件可以成為理想的光學(xué)機(jī)械傳感器，激光可以探測到它們的振動。但是激光也會加熱懸臂梁，從而降低其性能。

圖片來源：華盛頓大學(xué)

華盛頓大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Peter Pauzauskie說：“一直以來，納米級器件的激光加熱是個主要問題。我們使用紅外光制冷諧振器，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?！?/p>

研究人員表示他們是首支展示“納米傳感器固態(tài)激光制冷”技術(shù)的團(tuán)隊。

由于諧振腔的性能和冷卻方法都在不斷改進(jìn)，該研究結(jié)果具有廣泛的應(yīng)用前景。半導(dǎo)體諧振器的振動特性使其成為一種高效的機(jī)械傳感器，可用于探測加速度、質(zhì)量、溫度和各種電子產(chǎn)品中的其他特性，還可用于探測智能手機(jī)朝向的加速度計。減少干擾可以提高傳感器的性能。此外，與冷卻整個傳感器相比，使用激光制冷諧振器是一種更有針對性的提高傳感器性能的方法。

研究團(tuán)隊在懸臂梁的末端放置了一個微小陶瓷晶體，其中含有一種特殊的雜質(zhì)——鐿離子。當(dāng)研究團(tuán)隊將紅外激光束聚焦到晶體上時，雜質(zhì)可從晶體中吸收少量能量，使其在波長比激發(fā)晶體的激光短的光波中發(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利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。Pauzauskie表示：“納米帶在冷卻后變得更硬、更脆、更能抵抗彎曲和壓縮。因此，其振蕩頻率更高，這就證實了激光已經(jīng)冷卻了諧振器?！?/p>

其次，研究團(tuán)隊還觀察到，隨著激光功率的增加，晶體發(fā)出的光轉(zhuǎn)移到了更長的波長，這也表明發(fā)生了冷卻。

通過這兩種方法，研究人員計算出諧振器的溫度比室溫低了20攝氏度。另外，僅需不到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，制冷效果就會持續(xù)存在。

研究人員表示很期待該激光制冷技術(shù)在未來幾年內(nèi)被各個領(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：該技術(shù)可以成為高精度科學(xué)儀器的核心，利用諧振器振動的變化來精確測量如單個病毒粒子等物質(zhì)的質(zhì)量；冷卻固體部件也可用于開發(fā)制冷系統(tǒng)，以防止電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件過熱。