Παλμοί λέιζερ ψύχουν ημιαγωγούς.

Φυσικοί στη Σιγκαπούρη είναι οι πρώτοι που δημιούργησαν ένα ψυγείο, που δροσίζει ένα κομμάτι ημιαγωγού με τη χρήση φωτός, χρησιμοποιώντας την τεχνική του να κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου δείγμα θειούχου καδμίου από περίπου 40 Κ. 

Αν και παρόμοια τεχνική έχει χρησιμοποιηθεί παλαιότερα για να ψύξουν στοιχεία με ενισχυμένους κρυστάλλους σπανίων γαιών, αυτή η τελευταία δουλειά θα μπορούσε να οδηγήσει σε πρακτικές οπτικές συσκευές ψύξης για χρήση σε δορυφόρους, ή ακόμα και "αυτο-ψύξη" λέιζερ.

Πρώτα αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1980, το λέιζερ ψύξης έχει ανοίξει νέα και εξαιρετικά γόνιμη μελέτη των υπέρψυχρων ατομικών αερίων. Η τεχνική περιλαμβάνει ψήσιμο αντι-πολλαπλασιαστικό ακτίνες λέιζερ σε ατομικό αέριο, με τα άτομα που απορροφά και εκπέμπει φωτόνια κατά τέτοιο τρόπο ώστε το καθαρό αποτέλεσμα είναι να μειωθεί η μέση κίνηση των ατόμων και έτσι να μειώνεται η θερμοκρασία του αερίου.

Αφαιρώντας φωνόνια

Η ψύξη με λέιζερ των στερεών είναι κάπως διαφορετική, διότι η θερμότητα αποθηκεύεται σε ένα στερεό με τη μορφή πλέγματος κβαντισμένων δονήσεων που ονομάζονται φωνόνια, τα οποία δεν αλληλεπιδρούν άμεσα με το φως. Στην περίπτωση των σπανίων γαιών- ενισχυμένων κρυστάλλων, η ενέργεια απομακρύνεται από τα φωνόνια όταν ένα μόνο άτομο στο γυαλί υποβάλλεται σε μια "αντι-Stokes" μετάβαση. Πρόκειται για ένα φωτόνιο που απορροφάται από ένα άτομο πριν εκπέμψει ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας - με την επιπλέον ενέργεια που προέρχεται από τα φωνόνια.

Από τεχνολογικής απόψεως, θα ήταν πολύ πιο χρήσιμο να είναι σε θέση το λέιζερ να ψύξει ένα πιο συμβατικό υλικό, όπως ένα ημιαγωγό, από μια πρόσμιξη γυαλιού. Πέρυσι, ο Eugene Polzik και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης κατάφερε να χρησιμοποιήσει ένα λέιζερ για να ψύξει ένα πολύ λεπτό φύλλο ημιαγωγών που τεντώθηκε σαν μεμβράνη τύμπανου.

Ψυχρές νανοζώνες

Ο Qihua Xiong και οι συνεργάτες του στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang στη Σιγκαπούρη έχει πλέον δείξει μια γενικότερη τεχνική που χρησιμοποιεί λέιζερ για να κρυώσει μια εξαιρετικά λεπτή κορδέλα (ή "nanobelt") ημιαγωγού θειούχου καδμίου (CdS). Η μέθοδος βασίζεται επίσης σε μια αντι-Stokes διαδικασία, αλλά σε αυτή την περίπτωση η μετάβαση περιλαμβάνει ένα φωτόνιο που απορροφάται και μετατρέπεται σε ένα ζεύγος οπής ηλεκτρονίου. Αυτό το "εξιτόνιο" εκμηδενίζει και ο ημιαγωγός εκπέμπει ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας  - με την επιπλέον ενέργεια που προέρχεται από την εκμηδένιση των φωνονίων. Σαν αποτέλεσμα, το δείγμα χάνει φωνόνια και ψύχεται.

Ο Xiong είπε στο physicsworld.com ότι η ομάδα του σκόνταψε επάνω την επίδραση από ατύχημα όταν κάνει λέιζερ που βασίζεται στη φασματοσκοπία Raman -πειράματα για το CdS nanobelts - υλικά που έχουν ιδιαίτερα ισχυρή αντι-Stokes φωτοφωταύγεια. Οι νανοζώνες ήταν περίπου 3 μm και πλάτος περίπου 100 nm πάχους και ήταν ντυμένες σε ένα υπόστρωμα πυριτίου οξείδιο με οπές που ήταν περίπου 4 μm απέναντι. Οι μετρήσεις έγιναν για τα τμήματα των νανοζωνών που αιωρείται πάνω από τις τρύπες.

Ισχυρή σύζευξη

Το πείραμα περιελάμβανε ψήσιμο "αντλία" με παλμούς λέιζερ στο nanobelt να δημιουργήσει εξιτόνια, με την ενέργεια του λέιζερ ρυθμίζεται έτσι ώστε η ενέργεια του εξιτόνιου συν την ενέργεια πολλών φωνονίων να ισούται με την ενέργεια ενός φωτονίου που εκπέμπεται σε μια αντι-Stokes μετάβαση. Κάθε φωτόνιο που εκπέμπεται με τον τρόπο αυτό λαμβάνει συνεπώς ένα σημαντικό ποσό της θερμικής ενέργειας. Πράγματι, ο Xiong λέει ότι πάνω από 100 meV της ενέργειας έχει αφαιρεθεί σε κάθε αντλία φωτονίων - την πολύ υψηλή απόδοση, διότι είναι εξιτόνια και φωνόνια σε ζεύγη CdS  νανοζώνες πολύ έντονα.

Η ομάδα ξεκίνησε τη διαδικασία ψύξης με την νανοζώνη σε θερμοκρασία δωματίου (290 Κ) και κατόπιν ανάγεται η θερμοκρασία σε περίπου 250 Κ σε περίπου 40 λεπτά. Αυτό αντιστοιχεί σε μια ψυκτική ισχύ 180 μW. Η θερμοκρασία του δείγματος μετρήθηκε χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται αντλία-ανιχνευτή Θερμομετρία φωταύγειας, η οποία περιλαμβάνει ένα δεύτερο ψήσιμο "ανιχνευτή" παλμό-λέιζερ στο δείγμα.

Αισθητήρες στο διάστημα
Σύμφωνα με τον Xiong, η τεχνική ψύξης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να ψυχθούν μικροσκοπικές συσκευές. Εκτός του ότι είναι σχετικά εύκολο να μικρύνει, το λέιζερ ψύξης δεν περιλαμβάνει μηχανική ψύξη - η οποία μπορεί να εισάγει ανεπιθύμητους κραδασμούς - ή κρυογονικά υγρά. Μία εφαρμογή που ο Xiong λέει ότι είναι "ιδιαίτερα ελκυστική" είναι η ψύξη των αισθητήρων που χρησιμοποιούνται σε δορυφόρους και άλλες διαστημικές αποστολές. Λέει, επίσης, ότι η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να ψύξει ένα λέιζερ, χρησιμοποιώντας λίγο από το δικό του φως.

Ενώ ο Xiong λέει ότι υπάρχουν πολλές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν για να γίνει η δουλειά σε μεγαλύτερα δείγματα των ημιαγωγών, που είναι, κατ 'αρχήν, δυνατή. Ο Polzik περιγράφει αυτή τη τελευταία τεχνική ψύξης ως "ένα πολύ ενδιαφέρον αποτέλεσμα", προσθέτοντας ότι, κατ 'αρχήν, η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την απομάκρυνση θερμότητας από συσκευές ημιαγωγών.

Η ψυκτική αυτή μέθοδος περιγράφεται στο Nature.

Πηγή, physicsworld

Απόδοση, Δ. Γιάκας