【前沿】雷射冷卻技術發展歷程及最新進展淺析

2020-11-23 OFweek維科網

　　事件回顧：雷射讓硫化鎘納米帶降溫40℃

　　近日，新加坡南洋理工大學熊啟華教授領導的科研小組首次證明：利用雷射可使半導體的溫度從室溫冷卻到零下20攝氏度。這一突破性的科研成果有望在電子和光電子器件上直接實現集成全固態、緊湊、無振動、無冷卻劑的光學製冷器，相關元件可應用於太空飛行器高靈敏探測器、紅外夜視儀和電腦晶片等。相關論文發表在最近一期《自然》上。

　　雷射冷卻固體也被稱之為光學冰箱，其概念早在1929年就由德國物理學家彼得·普林斯海姆提出。20年後，法國物理學家卡斯特勒（Kastler）等人就提出稀土摻雜的固體材料可能具有雷射製冷的潛力。後來科學家有諸多失敗的嘗試，固體材料的雷射製冷直到1995年才第一次被美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室觀察到。他們用波長為1010納米的雷射照射稀土釔摻雜的玻璃，使得物體的溫度降低了0.3攝氏度。經過多年的努力，他們在2011年用波長為1020納米的雷射成功的將摻鐿氟化釔鋰晶體的溫度從室溫降到零下160攝氏度。這一製冷紀錄已經超越基於半導體溫差電效應的製冷器件，但是也達到了稀土摻雜材料的最低冷卻極限。

　　由於半導體材料獨特的物理性質，理論上它具有更大冷卻效率和低達零下260攝氏度的冷卻極限。這一溫度可以替代幾乎所有的冷卻劑，包括超導體必須的冷卻劑液氦。半導體材料能夠很容易的集成在一起，因此被認為是下一代光學製冷器的候選材料。然而，長久以來研究者雖然在III-V族半導體材料如砷化鎵進行了理論和實驗上地廣泛的研究，但由於這種材料低的電子和聲子耦合效率和高的螢光光子再吸收效應，使得人們一直沒有得到真正地實現雷射冷卻。

雷射冷卻技術

　　熊啟華教授領導的科研組成員張俊博士和博士生李德慧利用一種II-VI族半導體納米材料－硫化鎘納米帶，用波長為514納米的綠色雷射成功的將其溫度從零上20攝氏度降低到零下20攝氏度；同時他們還證明即使在低溫零下173攝氏度，仍然可以用532納米的雷射將半導體硫化鎘納米帶的溫度降低約15攝氏度。

　　研究人員認為有兩點可以解釋實驗的成功：第一是得益於硫化鎘半導體具有很強的電子和聲子的耦合作用，在雷射激發下每個光子可以共振地湮滅一個甚至多個聲子而更加有效地帶走硫化鎘納米帶的熱能；第二是實驗中用到的納米帶的厚度小於帶內傳播螢光光子的半個波長，從而使得帶走多餘熱能的高能螢光幾乎百分之百的逃離納米帶而不會發生再吸收。

　　熊啟華說：「這一成果開闢了一個探索半導體光學冰箱新的方向，即尋找具有強電子聲子耦合的半導體材料。」

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