Розроблена ефективна технологія охолодження напівпровідників за допомогою лазерного світла
Звичайний процес охолодження матеріалів до кріогенних температур досить складний, дорогий і в деяких випадках небезпечний для навколишнього середовища. Тому вчені знайшли ще кілька методів глибокого охолодження, одним з яких є метод охолодження лазерним світлом, який останнім часом застосовується все ширше і ширше. Цей метод полягає в тому, що фотони світла лазера взаємодіють з атомами матеріалу, затормаживая їх коливання і відбираючи їх теплову енергію. Лазерне охолодження газів і більш важких речовин в газоподібній фазі успішно застосовується вже протягом декількох років, але реалізація охолодження твердих матеріалів за допомогою лазера стикалася з низкою непереборних проблем. І не так давно вченим вдалося подолати більшість вищезазначених проблем, використавши складні спеціальні матеріали з унікальними фізичними властивостями.
У більшості випадків, промінь лазера, що переносить деяку кількість енергії, не асоціюється з охолодженням матеріалів. Але у недавніх експериментах дослідникам Юн Занг (Jun Zhang), Дехуи (Dehui Li), Рендж Чен (Renjie Chen) і Кихуа Ксайонг (Qihua Xiong) з Технологічного університету Nanyang, Сінгапур, вдалося застосувати деякі фізичні прийоми і знизити температуру напівпровідникового кристала на 40 градусів за шкалою Цельсія. Для реалізації лазерного охолодження вони використовували особливий тип електронного збудження в спеціальному матеріалі, коли фотони взаємодіяли з збудженими електронами, вони компенсували це збудження, заглушаючи теплові коливання в матеріалі.
При лазерному охолодженні газів кінетична енергія атомів передається фотонам світла, з якими взаємодіють ці атоми. У твердих ж тілах теплові коливання мають дещо іншу природу, коливання атомів матеріалу складаються в псевдо-частинки, фонони, які можуть переміщатися в обсязі матеріалу. Ці фонони, які є квантовими порушеннями, ведуть себе подібно частинками, вони можуть стикатися, відбиватися і розсіюватися. І для того, щоб охолодити матеріал необхідно придушити ці фонони з допомогою лазерного світла.
Лазерне охолодження було успішно реалізовано для спеціального матеріалу, що має упорядковану симетричну кристалічну решітку, в яку були впроваджені атоми рідкоземельних металів. Найбільш сильно ефект лазерного охолодження проявився в кристалах сульфіду кадмію, напівпровідникового матеріалу II-VI групи. Цей матеріал, що володіє деякими унікальними властивостями, досить широко використовується в цифровій електроніці. В напівпровідниках II-VI групи можуть виникати досить потужні теплові фонони, але в таких матеріалах має місце бути ще один вид порушення, поведінка яких нагадує поведінку частинок, эксионы. Ці эксионы створюються в результаті взаємодії між електронами і "дірками", штучно створеними дефектами кристалічної решітки, які є переносниками позитивного електричного заряду.
Дослідники нанесли на поверхню кремнієвої підкладки, покритої шаром діоксиду кремнію, тонкий шар сульфіду кадмію. Після цього на підготовлену таким чином поверхню був наведений промінь лазера, дуже точно налаштованого на певну довжину хвилі світла. Фотони лазерного світла почали взаємодіяти з фононами і эксионами в тонкому шарі сульфіду кадмію. Після більш точного підбору довжини хвилі світла лазера процес взаємодії увійшов у резонанс, що призвело до руйнування фононів, що, в свою чергу, призвело до швидкого зниження температури матеріалу на 40 градусів за шкалою Цельсія порівняно з первісною оцінкою.
Частоти коливання фононів у використаному матеріалі залежать від початкової температури. Тому, при зниженні температури в результаті лазерного охолодження, частота коливання фононів знижується і для подальшого ефективного охолодження потрібна корекція довжини хвилі лазерного світла. Проведені експерименти показали, що максимальна ефективність лазерного охолодження спостерігається і зберігається при зниженні температури охолоджуваного об'єкта не більше ніж на 15 градусів. Вивчаючи резонансні взаємодії між фотонами світла і фононами в матеріалі, дослідники помітили, що вельми просто добитися абсолютно зворотного ефекту. На деяких довжинах хвилі світла лазера спостерігався інтенсивний розігрів матеріалу.
Фононные і эксионные види порушення присутні майже у всіх напівпровідникових матеріалах II-VI групи, тому для практичної реалізації лазерного охолодження можна використовувати не тільки сульфід кадмію. Вчені ще не з'ясували, чи можна використовувати лазерний світло для охолодження більш поширених напівпровідникових матеріалів інших груп, але і те, чого їм вдалося досягти, є величезним кроком до реалізації практичної технології охолодження твердих матеріалів за допомогою світла лазера.