利用雷射製冷半導體材料

華盛頓大學的研究人員使用紅外雷射冷卻一種固態半導體材料，這種材料被貼上「懸臂梁」的標籤，在室溫下至少冷卻20攝氏度或36華氏度。

一般來說，雷射會加熱物體，人們正常都會這樣理解。但雷射也顯示出與冷卻材料完全相反的作用。能夠冷卻材料的雷射可以徹底改變從生物成像到量子通信等領域。

2015年，華盛頓大學的研究人員宣布，他們可以使用雷射在室溫下冷卻水和其他液體。現在，同一個團隊使用了一種類似的方法來冷藏完全不同的東西：固體半導體。研究小組在近日出版的《自然通信Nature Communications》雜誌上發表的一篇論文中指出，他們可以使用紅外雷射在室溫下將固體半導體冷卻至少20攝氏度或36華氏度。

這個裝置是一個類似於跳水板的懸臂。就像遊泳運動員跳入水中後的跳板一樣，懸臂可以以特定的頻率振動。但是這個懸臂不需要潛水員來振動。它可以在室溫下響應熱能或熱能而振蕩。像這樣的裝置可以製造出理想的光機傳感器，在那裡它們的振動可以被雷射探測到。但雷射也會加熱懸臂梁，這會降低其性能。

美國華盛頓大學材料科學與工程教授、太平洋西北國家實驗室資深科學家彼得·鮑扎斯基（Peter Pauzauskie）說：「從歷史上看，納米器件的雷射加熱是一個被掩蓋的重大問題。我們使用紅外線來冷卻諧振器，從而減少系統中的幹擾或「噪音」。這種固態製冷方法可以顯著提高光機諧振器的靈敏度，拓寬其在消費電子、雷射和科學儀器中的應用，並為光子電路等新應用鋪平道路。」

由於諧振腔性能的提高和冷卻方法的改進，該結果具有廣闊的應用前景。半導體諧振器的振動使它們成為機械傳感器，用於檢測加速度、質量、溫度和各種電子產品的其他特性，如加速度計，以檢測智慧型手機面臨的方向。減少幹擾可以改善這些傳感器的性能。此外，與試圖冷卻整個傳感器相比，使用雷射冷卻諧振器是提高傳感器性能的更有針對性的方法。

在他們的實驗裝置中，硫化鎘的一個小帶狀物，或者說納米帶狀物，從一塊矽中延伸出來，在室溫下自然會發生熱振蕩。

上圖是該小組的實驗裝置，用亮場顯微鏡拍攝。標籤為「Si」的矽平臺在圖像底部顯示為白色。硫化鎘的納米帶被標記為「CdSNR」。其尖端是陶瓷晶體，標記為「Yb:YLF」，圖像比例標尺為20微米。

在這個跳水板的末端，研究小組放置了一個微小的陶瓷晶體，其中含有一種特殊類型的雜質，鐿離子。當研究小組將紅外雷射束聚焦在晶體上時，雜質吸收了晶體中的少量能量，使晶體在波長比激發它的雷射顏色短的光中發光。這種「藍移輝光」效應冷卻了陶瓷晶體及其所連接的半導體納米帶。

研究人員用兩種方法測量雷射冷卻半導體的程度。首先，他們觀察到納米帶振蕩頻率的變化。納米帶在冷卻後變得更硬更脆，更耐彎曲和壓縮。結果，它以更高的頻率振蕩，這證明雷射已經冷卻了諧振器。

研究小組還觀察到，隨著雷射功率的增加，晶體發出的光平均移動到更長的波長，這也表明冷卻。利用這兩種方法，研究人員計算出諧振器的溫度比室溫下降了20攝氏度。製冷效果只需不到1毫秒，只要激發雷射就可以持續。

研究人員說，這種方法還有其他潛在的應用。它可以形成高精度科學儀器的核心，利用諧振器振蕩的變化來精確測量物體的質量，例如單個病毒粒子。冷卻固體部件的雷射器也可以用來開發冷卻系統，防止電子系統中的關鍵部件過熱。

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