实现的固态激光制冷纳米级传感器 - 可以彻底改变生物成像和量子通信

华盛顿大学研究人员使用红外激光来冷却固体半导体材料 - 在此标记为“悬臂” - 至少20℃，或36°F低于室温。

对一般公众来说，激光热对象。通常，这是正确的。

但激光也表明承诺做得非常相反 - 凉爽的材料。可以冷却材料的激光器可以彻底改变从生物成像到量子通信的字段。

2015年，华盛顿大学研究人员宣布他们可以使用激光冷却水和其他室温的液体。现在同一团队使用了类似的方法来冷藏完全不同的东西：一个坚实的半导体。随着团队在今天（6月23日）在自然通信发表的论文中，它们可以使用红外激光将固体半导体冷却至少20℃，或36°F低于室温。

该装置是悬臂 - 类似于Ping板。就像游泳者跳入水中后的平板一样，悬臂可以以特定频率振动。但这种悬臂不需要每次振动。它可以在室温下响应热能或热能而振荡。这样的设备可以制造理想的光学机械传感器，其中它们的振动可以通过激光来检测。但是，这种激光也加热了悬臂，抑制了其性能。

“历史上，纳米级设备的激光加热是地毯下席卷的主要问题，”材料科学与工程学教授和太平洋西北国家实验室的高级科学家博士彼得Pauzauskie表示。“我们正在使用红外光来冷却谐振器，这减少了系统中的干扰或”噪声“。这种固态制冷方法可以显着提高光学机械谐振器的敏感性，扩大消费电子产品，激光器和科学仪器的应用，并为新应用（如光子电路）铺平道路。“

该团队是第一个展示“固态激光制冷的纳米级传感器”，普兹苏斯基为乌斯乌斯分子工程学研究所和UW纳米工程系统研究所的教师。

使用明亮场显微镜采取的团队实验设置的图像。标记为“Si”的硅平台在图像底部显示在白色。硫化镉的纳米标记为“CDSNR”。在它的尖端是陶瓷晶体，标记为“YB：YLF”。秤杆是20微米。

由于谐振器的改进性能和用于冷却它的方法，结果具有宽的潜在应用。半导体谐振器的振动使它们可用作机械传感器，以检测各种电子设备中的加速度，质量，温度和其他性能 - 例如加速度计检测智能手机的方向。减少干扰可以提高这些传感器的性能。另外，使用激光冷却谐振器是一种更加有针对性的方法来改善传感器性能，与试图冷却整个传感器。

在其实验设置中，从硅块延伸的硫化镉的微小丝带或纳米 - 并且自然地在室温下热振荡。

在这个乒乓球结束时，该团队将含有特定类型的杂质，YTterbium离子的微小陶瓷晶体放置。当团队聚焦在晶体处的红外激光束时，杂质从晶体中吸收了少量能量，使其在波长的光中发光而不是激发其的激光颜色。这种“蓝光辉光”效果冷却了陶瓷晶体和它附着的半导体纳米孔。

“这些晶体仔细地合成了镱的特定浓度，以最大化冷却效率，”分子工程中的UW博士生萧晶夏共同作者。

研究人员使用了两种方法来测量激光冷却半导体的方法。首先，他们观察到纳米孔的振荡频率的变化。

“冷却后，纳米孔变得更加僵硬和脆弱 - 更耐弯曲和压缩。结果，它以更高的频率振荡，验证了激光已经冷却了谐振器，“Pauzauskie说。

该团队还观察到，由于它们增加了激光功率，所以晶体发射的光在平均值平均移动到更长的波长，这也表明了冷却。

使用这两种方法，研究人员计算出谐振器的温度下降多达20℃以下。只要励磁激光器打开，制冷效果小于1毫秒并持续。

“在未来几年，我急切地期待通过来自各个领域的科学家改编的激光冷却技术，以提高量子传感器的性能，”材料科学与工程博士学位博士学位博士生。

研究人员表示，该方法具有其他潜在的应用。它可以形成高精度科学仪器的心脏，使用谐振器的振荡变化来准确测量物体的质量，例如单个病毒颗粒。冷却固体组件的激光器还可用于开发冷却系统，使电子系统中的关键部件保持过热。

参考：“复合半导体YB的固态激光制冷：YLIF4光学机械谐振器”由Anupum Pant，Xiaojing xia，E. James Davis和Peter J.Pauzauskie，2012年6月23日，自然传播.DOI：
10.1038 / S41467-020-16472-6

E. James Davis，UW化学工程壮观教授，是一个额外的共同作者。该研究由科学研究，国家科学基金会，国家健康研究院和UW资助。