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【前沿】激光冷却技术发展历程及最新进展浅析

  事件回顾:激光让硫化镉纳米带降温40℃

  近日,新加坡南洋理工大学熊启华教授领导的科研小组首次证明:利用激光可使半导体的温度从室温冷却到零下20摄氏度。这一突破性的科研成果有望在电子和光电子器件上直接实现集成全固态、紧凑、无振动、无冷却剂的光学制冷器,相关元件可应用于航天器高灵敏探测器、红外夜视仪和电脑芯片等。相关论文发表在最近一期《自然》上。

  激光冷却固体也被称之为光学冰箱,其概念早在1929年就由德国物理学家彼得·普林斯海姆提出。20年后,法国物理学家卡斯特勒(Kastler)等人就提出稀土掺杂的固体材料可能具有激光制冷的潜力。后来科学家有诸多失败的尝试,固体材料的激光制冷直到1995年才第一次被美国洛斯阿拉莫斯国家实验室观察到。他们用波长为1010纳米的激光照射稀土钇掺杂的玻璃,使得物体的温度降低了0.3摄氏度。经过多年的努力,他们在2011年用波长为1020纳米的激光成功的将掺镱氟化钇锂晶体的温度从室温降到零下160摄氏度。这一制冷纪录已经超越基于半导体温差电效应的制冷器件,但是也达到了稀土掺杂材料的最低冷却极限。

  由于半导体材料独特的物理性质,理论上它具有更大冷却效率和低达零下260摄氏度的冷却极限。这一温度可以替代几乎所有的冷却剂,包括超导体必须的冷却剂液氦。半导体材料能够很容易的集成在一起,因此被认为是下一代光学制冷器的候选材料。然而,长久以来研究者虽然在III-V族半导体材料如砷化镓进行了理论和实验上地广泛的研究,但由于这种材料低的电子和声子耦合效率和高的荧光光子再吸收效应,使得人们一直没有得到真正地实现激光冷却。

激光冷却技术

激光冷却技术

  熊启华教授领导的科研组成员张俊博士和博士生李德慧利用一种II-VI族半导体纳米材料-硫化镉纳米带,用波长为514纳米的绿色激光成功的将其温度从零上20摄氏度降低到零下20摄氏度;同时他们还证明即使在低温零下173摄氏度,仍然可以用532纳米的激光将半导体硫化镉纳米带的温度降低约15摄氏度。

  研究人员认为有两点可以解释实验的成功:第一是得益于硫化镉半导体具有很强的电子和声子的耦合作用,在激光激发下每个光子可以共振地湮灭一个甚至多个声子而更加有效地带走硫化镉纳米带的热能;第二是实验中用到的纳米带的厚度小于带内传播荧光光子的半个波长,从而使得带走多余热能的高能荧光几乎百分之百的逃离纳米带而不会发生再吸收。

  熊启华说:“这一成果开辟了一个探索半导体光学冰箱新的方向,即寻找具有强电子声子耦合的半导体材料。”

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