Превратить “печь” в “морозилку”: как охладить материю лазером
Акселерометр — это электронное устройство для определения направления движения смартфона. Для его работы требуются датчики ускорения, массы, температуры и других параметров. В качестве датчиков все чаще используются полупроводниковые резонаторы, части которых колеблются при комнатной температуре и ниже. Лазер улавливает эти колебания, по которым можно оценить нужные параметры, но своим воздействием нагревает чувствительный элемент. Нагрев снижает производительность датчика, возникают помехи и шумы в системе.
Мы привыкли к тому, что лазерное излучение нагревает материал. Это логично: веществу передается энергия, а энергия связана с теплом. Однако если снабдить нагреваемый элемент чем-то, что может эту энергию преобразовать и удалить из системы, можно достигнуть обратного эффекта — охлаждения.
Если накормить полного человека тремя шоколадками, после которых он сможет намотать по стадиону больше кругов, чем требуется для сжигания калорий в шоколадках, он похудеет! Главное, чтобы не отпраздновал победу огромным тортом.
В 2015 году исследователи из Вашингтонского университета придумали, как охлаждать лазером жидкости до температур, ниже комнатной. Теперь та же команда преобразовала свой метод для охлаждения твердых веществ, а именно — полупроводников. В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи использовали инфракрасный лазер и охладили с его помощью твердый полупроводник, минимум, на 20 градусов по Цельсию.
В эксперименте нанолента из сульфида кадмия подверглась тепловым колебаниям при комнатной температуре. На конце ленты команда разместила крошечный керамический кристалл, с примесью ионов иттербия. На кристалл направили инфракрасный лазерный луч. Примеси, поглощая энергию из кристалла, заставляли его излучать синий свет. Синий свет обладает меньшей длиной волны, чем инфракрасное излучение, но большей энергией. Значит, из системы уходит больше энергии, чем поступает. Материал охлаждается.
Снижение температуры на 20 градусов по Цельсию отследили двумя способами. Нанолента из-за охлаждения стала более жесткой и колебалась с большей частотой. Синий свет по мере охлаждения становится более длинноволновым. По изменению частоты колебаний элемента и смещению спектра излучения ученые и измерили температуру поверхности.
Метод твердотельного охлаждения лазером может значительно улучшить чувствительность резонаторов, расширить их применение в бытовой электронике, лазерах и научных приборах, а также проложить пути для новых приложений, таких как фотонные схемы.
