华盛顿大学开发激光制冷技术:可提高纳米传感器的灵敏度和性能

华盛顿大学的研究人员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。

  一般情况下,很多人都认为,激光是用来加热物体的,总的来说,这是正确的想法。但是激光也显示出相反的能力,那就是冷却材料。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。

华盛顿大学的研究人员使用红外激光将固态半导体材料(这里标记为“悬臂式”)冷却至室温以下至少20摄氏度或36华氏度。.jpg

  华盛顿大学的研究人员使用红外激光将固态半导体材料(这里标记为“悬臂式”)冷却至室温以下至少20摄氏度或36华氏度

  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6月23日出版的《自然通信》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而振荡。像这样的装置可以制造出理想的光机械传感器,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,从而会降低其性能。

  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。”

  彼得·鲍扎斯基补充道,该团队是第一个演示“纳米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员。

  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,一个由硫化镉组成的微小带状物,或者说纳米带状物,从硅块中延伸出来,在室温下自然会发生热振荡。

  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“blueshift glow”效应冷却了陶瓷晶体及其所连接的半导体纳米带。

  UW分子工程博士生、合著者夏晓静说:“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。”

  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,这证实了激光已经冷却了谐振器。其次,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。

  该研究的主要作者、UW材料科学与工程博士生Anupum Pant说:“在未来几年,我将热切期待看到我们的激光冷却技术被来自各个领域的科学家所采用,以提高量子传感器的性能。”

  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。

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