Перетворити «пекти» на «морозилку»: як охолодити матерію лазером

Лазерне випромінювання зазвичай розігріває матеріал, на який спрямовано. Однак існує спосіб повернути явище назад і охолодити речовину лазерним променем. Зворотний ефект дозволить створити чутливі датчики для акселерометрів, в роботі яких використовуються лазери.

Акселерометр - це електронний пристрій для визначення напрямку руху смартфона. Для його роботи потрібні датчики прискорення, маси, температури та інших параметрів. Як датчики все частіше використовуються напівпровідникові резонатори, частини яких коливаються при кімнатній температурі і нижче. Лазер вловлює ці коливання, за якими можна оцінити потрібні параметри, але своїм впливом нагріває чутливий елемент. Нагрів знижує продуктивність датчика, виникають перешкоди і шуми в системі.

Ми звикли до того, що лазерне випромінювання нагріває матеріал. Це логічно: речовині передається енергія, а енергія пов'язана з теплом. Однак якщо забезпечити нагрівний елемент чимось, що може цю енергію перетворити і видалити з системи, можна досягти зворотного ефекту - охолодження.

Якщо нагодувати повну людину трьома шоколадками, після яких вона зможе намотати по стадіону більше кіл, ніж потрібно для спалювання калорій в шоколадках, вона схудне! Головне, щоб не відсвяткував перемогу величезним тортом.

У 2015 році дослідники з Вашингтонського університету придумали, як охолоджувати лазером рідини до температур, нижче кімнатної. Тепер та ж команда перетворила свій метод для охолодження твердих речовин, а саме - напівпровідників. У статті, опублікованій в Nature Communications, дослідники використовували інфрачервоний лазер і охолодили з його допомогою твердий напівпровідник, мінімум, на 20 градусів за Цельсієм.

В експерименті нанолента з сульфіду кадмію зазнала теплових коливань при кімнатній температурі. Наприкінці стрічки команда розмістила крихітний керамічний кристал, з домішкою іонів іттербію. На кристал направили інфрачервоний лазерний промінь. Домішки, поглинаючи енергію з кристала, змушували його випромінювати синє світло. Синє світло володіє меншою довжиною хвилі, ніж інфрачервоне випромінювання, але більшою енергією. Отже, з системи йде більше енергії, ніж надходить. Матеріал охолоджується.

Зниження температури на 20 градусів за Цельсієм відстежили двома способами. Нанолента через охолодження стала більш жорсткою і вагалася з більшою частотою. Синє світло в міру охолодження стає довготривалішим. Щодо зміни частоти коливань елемента і зміщення спектра випромінювання вчені і виміряли температуру поверхні.

Метод твердотельного охолодження лазером може значно поліпшити чутливість резонаторів, розширити їх застосування в побутовій електроніці, лазерах і наукових приладах, а також прокласти шляхи для нових додатків, таких як фотонні схеми.