Laser tillader faststofkøling af et halvledermateriale

Til den brede offentlighed, lasere opvarmer genstande. Og generelt, det ville være korrekt.

Men lasere viser også løfte om at gøre det modsatte - at køle materialer. Lasere, der kan afkøle materialer, kan revolutionere områder lige fra bio-billeddannelse til kvantekommunikation.

I 2015 University of Washington-forskere meddelte, at de kan bruge en laser til at afkøle vand og andre væsker under stuetemperatur. Nu har det samme hold brugt en lignende tilgang til at køle noget helt andet:En solid halvleder. Som holdet viser i et papir offentliggjort 23. juni i Naturkommunikation , de kunne bruge en infrarød laser til at afkøle den faste halvleder med mindst 20 grader C, eller 36 F, under stuetemperatur.

Enheden er en cantilever - svarende til et vippebræt. Som et vippebræt efter en svømmer hopper ud i vandet, cantileveren kan vibrere ved en bestemt frekvens. Men denne cantilever behøver ikke en dykker for at vibrere. Det kan oscillere som reaktion på termisk energi, eller varmeenergi, ved stuetemperatur. Enheder som disse kunne lave ideelle optomekaniske sensorer, hvor deres vibrationer kan detekteres af en laser. Men den laser opvarmer også cantileveren, hvilket dæmper dens ydeevne.

"Historisk set, laseropvarmning af enheder i nanoskala var et stort problem, der blev fejet under tæppet, " sagde seniorforfatter Peter Pauzauskie, en UW professor i materialevidenskab og teknik og en seniorforsker ved Pacific Northwest National Laboratory. "Vi bruger infrarødt lys til at afkøle resonatoren, som reducerer interferens eller 'støj' i systemet. Denne metode til faststofkøling kunne væsentligt forbedre følsomheden af ​​optomekaniske resonatorer, udvide deres anvendelser inden for forbrugerelektronik, lasere og videnskabelige instrumenter, og bane vejen for nye applikationer, såsom fotoniske kredsløb."

Holdet er det første til at demonstrere "solid-state laser nedkøling af nanoskala sensorer, " tilføjede Pauzauskie, som også er fakultetsmedlem ved UW Molecular Engineering &Sciences Institute og UW Institute for Nano-engineered Systems.

Resultaterne har store potentielle anvendelser på grund af både den forbedrede ydeevne af resonatoren og den metode, der bruges til at afkøle den. Vibrationerne fra halvlederresonatorer har gjort dem nyttige som mekaniske sensorer til at detektere acceleration, masse, temperatur og andre egenskaber i en række elektronik – såsom accelerometre til at registrere den retning, en smartphone vender. Reduceret interferens kan forbedre ydeevnen af ​​disse sensorer. Ud over, at bruge en laser til at køle resonatoren er en meget mere målrettet tilgang til at forbedre sensorens ydeevne sammenlignet med at forsøge at køle en hel sensor.

I deres eksperimentelle opsætning, et lille bånd, eller nanobånd, af cadmiumsulfid strakte sig fra en siliciumblok - og ville naturligt undergå termisk svingning ved stuetemperatur.

I slutningen af ​​dette vippebræt, holdet placerede en lille keramisk krystal indeholdende en bestemt type urenhed, ytterbium ioner. Da holdet fokuserede en infrarød laserstråle på krystallen, urenhederne absorberede en lille mængde energi fra krystallen, får den til at lyse i lys, der er kortere i bølgelængde end laserfarven, der exciterede den. Denne "blueshift glød"-effekt afkølede den keramiske krystal og det halvleder-nanobånd, den var fastgjort til.

"Disse krystaller blev omhyggeligt syntetiseret med en specifik koncentration af ytterbium for at maksimere køleeffektiviteten, " sagde medforfatter Xiaojing Xia, en UW ph.d.-studerende i molekylær teknik.

Forskerne brugte to metoder til at måle, hvor meget laseren afkølede halvlederen. Først, de observerede ændringer i nanobåndets oscillationsfrekvens.

"Nanobåndet bliver mere stift og skørt efter afkøling - mere modstandsdygtigt over for bøjning og kompression. Som et resultat, den svinger med en højere frekvens, som bekræftede, at laseren havde afkølet resonatoren, " sagde Pauzauskie.

Holdet observerede også, at lyset udsendt af krystallen i gennemsnit skiftede til længere bølgelængder, da de øgede lasereffekten, hvilket også indikerede afkøling.

Ved at bruge disse to metoder, forskerne beregnede, at resonatorens temperatur var faldet med så meget som 20 grader C under stuetemperatur. Køleeffekten tog mindre end 1 millisekund og varede så længe excitationslaseren var tændt.

"I de kommende år Jeg vil ivrigt se efter at se vores laserkølingsteknologi tilpasset af forskere fra forskellige områder for at forbedre ydeevnen af ​​kvantesensorer, " sagde hovedforfatter Anupum Pant, en UW ph.d.-studerende i materialevidenskab og teknik.

Forskere siger, at metoden har andre potentielle anvendelser. Det kunne danne hjertet af meget præcise videnskabelige instrumenter, ved hjælp af ændringer i resonatorens oscillationer til nøjagtigt at måle et objekts masse, såsom en enkelt viruspartikel. Lasere, der afkøler faste komponenter, kan også bruges til at udvikle kølesystemer, der forhindrer, at nøglekomponenter i elektroniske systemer overophedes.