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激光可对半导体材料进行固态制冷

  • 科学
  • 2020-06-24 08:31:47
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对于公众来说,激光加热物体。通常,这是正确的。

但是激光也显示出相反的承诺,那就是冷却材料。可以冷却材料的激光可以彻底改变从生物成像到量子通信的领域。

2015年,华盛顿大学的研究人员宣布,他们可以使用激光冷却低于室温的水和其他液体。现在,同一支团队已使用类似的方法来制冷完全不同的东西:固态半导体。正如研究小组在6月23日发表在《自然通讯》上的论文中所显示的那样,他们可以使用红外激光将固态半导体冷却到比室温低至少20摄氏度或36华氏度。

该设备是悬臂,类似于跳水板。就像游泳者跳入水中后的跳水板一样,悬臂可以特定频率振动。但是这个悬臂不需要潜水员振动。它可以在室温下响应于热能或热能而振荡。这样的设备可以成为理想的光机械传感器,通过激光可以检测其振动。但是,这种激光还会加热悬臂,从而削弱其性能。

“从历史上看,纳米器件的激光加热是一个大问题,”在华盛顿大学西北大学国家科学学院的材料科学与工程学教授,太平洋西北国家实验室的资深科学家彼得·包扎斯基(Peter Pauzauskie)说。“我们正在使用红外光冷却谐振器,以减少系统中的干扰或'噪声'。这种固态制冷方法可以显着提高光机电谐振器的灵敏度,扩大其在消费电子,激光和科学仪器中的应用,并为光子电路等新应用铺平了道路。”

Pauzauskie补充说,该团队是第一个展示“纳米级传感器的固态激光制冷”的团队,他也是UW分子工程与科学研究所和UW纳米工程系统研究所的教职员工。

由于谐振器性能的提高和用于冷却谐振器的方法的改进,该结果具有广泛的潜在应用价值。半导体谐振器的振动使其可用作机械传感器,用于检测各种电子设备中的加速度,质量,温度和其他属性,例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,与尝试冷却整个传感器相比,使用激光冷却谐振器是一种更具针对性的方法,可以提高传感器性能。

在他们的实验装置中,一条微小的硫化镉带或纳米带从一块硅中伸出,并且在室温下自然会发生热振荡。

在跳水板的末端,研究小组放置了一个微小的陶瓷晶体​​,其中包含一种特定类型的杂质,离子。当研究小组将红外激光束聚焦在晶体上时,杂质从晶体吸收了少量能量,导致其发出的光的波长短于激发晶体的激光颜色。这种“蓝移辉光”效应冷却了陶瓷晶体及其所附着的半导体纳米带。

威斯康星大学分子工程专业的博士生夏晓晶说:“这​​些晶体是用特定浓度的carefully精心合成的,以最大限度地提高冷却效率。”

研究人员使用两种方法来测量激光冷却半导体的程度。首先,他们观察到纳米带振荡频率的变化。

Pauzauskie说:“冷却后,纳米带变得更硬,更脆,更不易弯曲和受压。结果,它以更高的频率振荡,这证明了激光器已经冷却了谐振器。”

研究小组还观察到,随着晶体增加激光功率,晶体发出的光平均转移到更长的波长,这也表明冷却了。

使用这两种方法,研究人员计算出谐振器的温度比室温低了20摄氏度。制冷效果只需要不到1毫秒的时间,并且只要激发激光器开启就可以持续。

威斯康星大学材料科学与工程专业的博士生Anupum Pant说:“在未来的几年中,我将渴望看到我们的激光冷却技术被各个领域的科学家所采用,以增强量子传感器的性能。”

研究人员说,该方法还有其他潜在应用。它可以利用谐振器的振荡变化来精确测量物体的质量,例如单个病毒颗粒,从而成为高精度科学仪器的心脏。冷却固体组件的激光器也可以用于开发冷却系统,以防止电子系统中的关键组件过热。

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