华盛顿大学利用悬臂梁开发出激光制冷新技术

一般来说激光是用来加热物体的，近日华盛顿大学的研究团队却通过实验展示了激光制冷材料的潜力，有望颠覆从生物成像到量子通信等领域。

早在2015年该团队就已经宣布可以利用激光将水和其他液体冷却至室温以下，近日该团队又用类似的方法来冷却固体半导体。该论文发表在《自然通讯》上，他们可以使用红外激光将固体半导体冷却到比室温低至少20摄氏度。

研究人员使用的装置是悬臂梁，类似于跳水板。就像游泳者跳入水中后的跳板一样，悬臂梁可以以特定的频率振动。在室温下，该悬臂梁会因热能而振荡。这样的器件可以成为理想的光学机械传感器，激光可以探测到它们的振动。但是激光也会加热悬臂梁，从而降低其性能。

图片来源：华盛顿大学

华盛顿大学材料科学与工程教授Peter Pauzauskie说：“一直以来，纳米级器件的激光加热是个主要问题。我们使用红外光制冷谐振器，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学机械谐振器的灵敏度，扩大其在消费电子、激光器和科学仪器中的应用，并为光子电路等新应用铺平道路。”

研究人员表示他们是首支展示“纳米传感器固态激光制冷”技术的团队。

由于谐振腔的性能和冷却方法都在不断改进，该研究结果具有广泛的应用前景。半导体谐振器的振动特性使其成为一种高效的机械传感器，可用于探测加速度、质量、温度和各种电子产品中的其他特性，还可用于探测智能手机朝向的加速度计。减少干扰可以提高传感器的性能。此外，与冷却整个传感器相比，使用激光制冷谐振器是一种更有针对性的提高传感器性能的方法。

研究团队在悬臂梁的末端放置了一个微小陶瓷晶体，其中含有一种特殊的杂质——镱离子。当研究团队将红外激光束聚焦到晶体上时，杂质可从晶体中吸收少量能量，使其在波长比激发晶体的激光短的光波中发光。这种“蓝移辉光”效应冷却了陶瓷晶体及其上的半导体纳米带。

研究人员表示这些晶体是利用特定浓度的镱精心合成的，以最大限度地提高冷却效率。研究人员使用了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表示：“纳米带在冷却后变得更硬、更脆、更能抵抗弯曲和压缩。因此，其振荡频率更高，这就证实了激光已经冷却了谐振器。”

其次，研究团队还观察到，随着激光功率的增加，晶体发出的光转移到了更长的波长，这也表明发生了冷却。

通过这两种方法，研究人员计算出谐振器的温度比室温低了20摄氏度。另外，仅需不到1毫秒就能产生制冷效果，而且只要激发激光持续作用，制冷效果就会持续存在。

研究人员表示很期待该激光制冷技术在未来几年内被各个领域的科学家采用，以提高量子传感器的性能。这种方法还有其他潜在的应用：该技术可以成为高精度科学仪器的核心，利用谐振器振动的变化来精确测量如单个病毒粒子等物质的质量；冷却固体部件也可用于开发制冷系统，以防止电子系统中的关键部件过热。