Aan het grote publiek, lasers verwarmen objecten. En in het algemeen, dat zou kloppen.

Maar lasers beloven ook precies het tegenovergestelde te doen:materialen afkoelen. Lasers die materialen kunnen koelen, kunnen een revolutie teweegbrengen in gebieden variërend van bio-imaging tot kwantumcommunicatie.

anno 2015, Onderzoekers van de Universiteit van Washington hebben aangekondigd dat ze een laser kunnen gebruiken om water en andere vloeistoffen onder kamertemperatuur af te koelen. Nu heeft datzelfde team een ​​vergelijkbare aanpak gebruikt om iets heel anders te koelen:een solide halfgeleider. Zoals het team laat zien in een paper gepubliceerd op 23 juni in Natuurcommunicatie , ze zouden een infraroodlaser kunnen gebruiken om de vaste halfgeleider met minstens 20 graden C te koelen, of 36 F, onder kamertemperatuur.

Het apparaat is een cantilever-vergelijkbaar met een duikplank. Als een duikplank nadat een zwemmer in het water springt, de cantilever kan trillen op een bepaalde frequentie. Maar deze cantilever heeft geen duiker nodig om te trillen. Het kan oscilleren als reactie op thermische energie, of warmte-energie, op kamertemperatuur. Apparaten zoals deze zouden ideale optomechanische sensoren kunnen zijn, waar hun trillingen kunnen worden gedetecteerd door een laser. Maar die laser verwarmt ook de cantilever, wat zijn prestaties dempt.

"Historisch, de laserverwarming van apparaten op nanoschaal was een groot probleem dat onder het tapijt werd geveegd, " zei senior auteur Peter Pauzauskie, een UW-hoogleraar materiaalkunde en engineering en een senior wetenschapper aan het Pacific Northwest National Laboratory. "We gebruiken infrarood licht om de resonator te koelen, waardoor interferentie of 'ruis' in het systeem wordt verminderd. Deze methode van koeling in vaste toestand zou de gevoeligheid van optomechanische resonatoren aanzienlijk kunnen verbeteren, hun toepassingen in consumentenelektronica verbreden, lasers en wetenschappelijke instrumenten, en de weg vrijmaken voor nieuwe toepassingen, zoals fotonische circuits."

Het team is de eerste die "solid-state laserkoeling van sensoren op nanoschaal, " voegde Pauzauski toe, die ook een faculteitslid is bij het UW Molecular Engineering &Sciences Institute en het UW Institute for Nano-engineered Systems.

De resultaten hebben brede potentiële toepassingen vanwege zowel de verbeterde prestaties van de resonator als de methode die wordt gebruikt om deze te koelen. De trillingen van halfgeleiderresonatoren hebben ze bruikbaar gemaakt als mechanische sensoren om versnelling te detecteren, massa, temperatuur en andere eigenschappen in een verscheidenheid aan elektronica, zoals versnellingsmeters om de richting van een smartphone te detecteren. Verminderde interferentie zou de prestaties van deze sensoren kunnen verbeteren. In aanvulling, het gebruik van een laser om de resonator te koelen is een veel meer gerichte benadering om de sensorprestaties te verbeteren in vergelijking met het proberen om een ​​hele sensor te koelen.

In hun experimentele opstelling een klein lintje, of nanolint, van cadmiumsulfide strekte zich uit uit een blok silicium - en zou natuurlijk thermische oscillatie ondergaan bij kamertemperatuur.

Aan het einde van deze duikplank, het team plaatste een klein keramisch kristal met een specifiek type onzuiverheid, ytterbium-ionen. Toen het team een ​​infrarode laserstraal op het kristal richtte, de onzuiverheden absorbeerden een kleine hoeveelheid energie van het kristal, waardoor het gloeit in licht met een kortere golflengte dan de laserkleur die het heeft opgewekt. Dit "blueshift glow"-effect koelde het keramische kristal en het halfgeleider nanolint waaraan het was vastgemaakt.

"Deze kristallen werden zorgvuldig gesynthetiseerd met een specifieke concentratie van ytterbium om de koelefficiëntie te maximaliseren, " zei co-auteur Xiaojing Xia, een UW-promovendus in moleculaire engineering.

De onderzoekers gebruikten twee methoden om te meten hoeveel de laser de halfgeleider afkoelde. Eerst, ze observeerden veranderingen in de oscillatiefrequentie van het nanolint.

"Het nanolint wordt stijver en brozer na afkoeling - beter bestand tegen buigen en samendrukken. het oscilleert met een hogere frequentie, die verifieerde dat de laser de resonator had afgekoeld, ' zei Pauzauski.

Het team merkte ook op dat het door het kristal uitgestraalde licht gemiddeld verschoof naar langere golflengten naarmate het laservermogen toenam, die ook koeling aangaf.

Met behulp van deze twee methoden, de onderzoekers berekenden dat de temperatuur van de resonator tot wel 20 graden onder kamertemperatuur was gedaald. Het koeleffect duurde minder dan 1 milliseconde en duurde zo lang als de excitatielaser aan was.

"In de komende jaren, Ik zal reikhalzend uitkijken naar onze laserkoelingstechnologie die door wetenschappers uit verschillende vakgebieden wordt aangepast om de prestaties van kwantumsensoren te verbeteren, " zei hoofdauteur Anupum Pant, een UW-promovendus in materiaalkunde en techniek.

Onderzoekers zeggen dat de methode andere potentiële toepassingen heeft. Het zou het hart kunnen vormen van zeer nauwkeurige wetenschappelijke instrumenten, met behulp van veranderingen in oscillaties van de resonator om de massa van een object nauwkeurig te meten, zoals een enkel virusdeeltje. Lasers die vaste componenten koelen, kunnen ook worden gebruikt om koelsystemen te ontwikkelen die voorkomen dat belangrijke componenten in elektronische systemen oververhit raken.