利用激光制冷半导体材料

一般来说，激光会加热物体，人们正常都会这样理解。但激光也显示出与冷却材料完全相反的作用。能够冷却材料的激光可以彻底改变从生物成像到量子通信等领域。

2015年，华盛顿大学的研究人员宣布，他们可以使用激光在室温下冷却水和其他液体。现在，同一个团队使用了一种类似的方法来冷藏完全不同的东西：固体半导体。研究小组在近日出版的《自然通信Nature Communications》杂志上发表的一篇论文中指出，他们可以使用红外激光在室温下将固体半导体冷却至少20摄氏度或36华氏度。

这个装置是一个类似于跳水板的悬臂。就像游泳运动员跳入水中后的跳板一样，悬臂可以以特定的频率振动。但是这个悬臂不需要潜水员来振动。它可以在室温下响应热能或热能而振荡。像这样的装置可以制造出理想的光机传感器，在那里它们的振动可以被激光探测到。但激光也会加热悬臂梁，这会降低其性能。

华盛顿大学的研究人员使用红外激光冷却一种固态半导体材料，这种材料被贴上“悬臂梁”的标签，在室温下至少冷却20摄氏度或36华氏度。

美国华盛顿大学材料科学与工程教授、太平洋西北国家实验室资深科学家彼得·鲍扎斯基（Peter Pauzauskie）说：“从历史上看，纳米器件的激光加热是一个被掩盖的重大问题。我们使用红外线来冷却谐振器，从而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。”

由于谐振腔性能的提高和冷却方法的改进，该结果具有广阔的应用前景。半导体谐振器的振动使它们成为机械传感器，用于检测加速度、质量、温度和各种电子产品的其他特性，如加速度计，以检测智能手机面临的方向。减少干扰可以改善这些传感器的性能。此外，与试图冷却整个传感器相比，使用激光冷却谐振器是提高传感器性能的更有针对性的方法。

在他们的实验装置中，硫化镉的一个小带状物，或者说纳米带状物，从一块硅中延伸出来，在室温下自然会发生热振荡。

上图是该小组的实验装置，用亮场显微镜拍摄。标签为“Si”的硅平台在图像底部显示为白色。硫化镉的纳米带被标记为“CdSNR”。其尖端是陶瓷晶体，标记为“Yb:YLF”，图像比例标尺为20微米。

在这个跳水板的末端，研究小组放置了一个微小的陶瓷晶体，其中含有一种特殊类型的杂质，镱离子。当研究小组将红外激光束聚焦在晶体上时，杂质吸收了晶体中的少量能量，使晶体在波长比激发它的激光颜色短的光中发光。这种“蓝移辉光”效应冷却了陶瓷晶体及其所连接的半导体纳米带。

研究人员用两种方法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。纳米带在冷却后变得更硬更脆，更耐弯曲和压缩。结果，它以更高的频率振荡，这证明激光已经冷却了谐振器。

研究小组还观察到，随着激光功率的增加，晶体发出的光平均移动到更长的波长，这也表明冷却。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。制冷效果只需不到1毫秒，只要激发激光就可以持续。

研究人员说，这种方法还有其他潜在的应用。它可以形成高精度科学仪器的核心，利用谐振器振荡的变化来精确测量物体的质量，例如单个病毒粒子。冷却固体部件的激光器也可以用来开发冷却系统，防止电子系统中的关键部件过热。

原文来源：https://phys.org/news/2020-06-laser-solid-state-refrigeration-semiconductor-material.html