华盛顿大学利用悬臂梁开发出激光制冷新威廉希尔官方网站

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”威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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：该威廉希尔官方网站 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。