华盛顿大学用红外激光器制冷固态半导体材料冷却低于室温至少20°

在一般人看来，激光会加热物体。但激光也有希望做到相反的事情–冷却材料。能够冷却材料的激光器可以彻底改变从生物成像到量子通信等领域。

2015年，华盛顿大学的研究人员宣布，他们可以使用激光将水和其他液体冷却到室温以下。现在，同一个团队已经使用类似的方法冷却固态半导体。正如该团队在6月23日发表在《自然-通讯》上的一篇论文中所显示的那样，他们可以使用红外激光将固态半导体冷却到低于室温至少20摄氏度。

该装置是一个悬臂–类似于跳水板。悬臂以特定频率振动。它可以在室温下对热能作出响应而振荡。这样的设备可以成为理想的光学机械传感器，通过激光可以检测其振动。但是，这种激光还会加热悬臂，从而削弱其性能。

研究人员表示，一直以来纳米器件的激光加热是一个大问题，该研究使用红外光冷却谐振器，以减少系统中的干扰或’噪声’。这种固态制冷方法可以显著提高光机械谐振器的灵敏度，拓宽其在消费电子、激光和科学仪器中的应用，并为光子电路等新应用铺平道路。

该团队是第一个展示 “纳米级传感器的固态激光制冷 “的团队。

由于谐振器性能的提高和用于冷却谐振器方法的改进，该成果具有广泛的潜在应用价值。半导体谐振器的振动使其可以用作机械传感器，用于检测各种电子产品中的加速度、质量、温度和其他特性–例如用于检测智能手机朝向的加速度计。减少干扰可以提高这些传感器的性能。此外，与试图冷却整个传感器相比，使用激光来冷却谐振器是一种更有针对性的方法，可以提高传感器的性能。

在他们的实验设置中，一条微小的硫化镉带，或者说纳米带会在室温下自然地发生热振荡。

在悬臂末端，研究小组放置了一个微小的陶瓷晶体​​，其中包含一种特定类型的杂质，离子。当研究小组将红外激光束聚焦在晶体上时，杂质从晶体吸收了少量能量，导致其发出的光波长短于激发晶体激光。这种“蓝移辉光”效应冷却了陶瓷晶体及其所附着的半导体纳米带。

研究人员使用两种方法来测量激光对半导体的冷却程度。首先，他们观察到了纳米带的振荡频率的变化。

纳米带在冷却后变得更硬、更脆–更耐弯曲和压缩。因此，它以更高的频率振荡，验证了激光已经冷却谐振器。该团队还观察到，随着激光功率的增加，晶体发出的光平均转向更长的波长，这也表明冷却了。

利用这两种方法，研究人员计算出谐振器的温度比室温下降了20摄氏度。制冷效应只需要不到1毫秒的时间，并且只要激发激光器开启就会持续。

在未来几年，研究人员期待看到这种激光冷却技术被各个领域的科学家改造，以提高量子传感器的性能。

研究人员表示，该方法还有其他潜在的应用。它可以构成高精度科学仪器核心，利用谐振器振荡变化精确测量物体的质量，如单个病毒粒子。冷却固体组件的激光器也可以用于开发冷却系统，以防止电子系统中的关键组件过热。