新加坡用激光讓硫化鎘納米帶降溫40℃

    近日，新加坡南洋理工大學(xué)熊啟華教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組首次證明：利用激光可使半導(dǎo)體的溫度從室溫冷卻到零下20攝氏度。這一突破性的科研成果有望在電子和光電子器件上直接實(shí)現(xiàn)集成全固態(tài)、緊湊、無(wú)振動(dòng)、無(wú)冷卻劑的光學(xué)制冷器，相關(guān)元件可應(yīng)用于航天器高靈敏探測(cè)器、紅外夜視儀和電腦芯片等。相關(guān)論文發(fā)表在最近一期《自然》上。

        激光冷卻固體也被稱之為光學(xué)冰箱，其概念早在1929年就由德國(guó)物理學(xué)家彼得·普林斯海姆提出。20年后，法國(guó)物理學(xué)家卡斯特勒（Kastler）等人就提出稀土摻雜的固體材料可能具有激光制冷的潛力。后來(lái)科學(xué)家有諸多失敗的嘗試，固體材料的激光制冷直到1995年才第一次被美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室觀察到。他們用波長(zhǎng)為1010納米的激光照射稀土釔摻雜的玻璃，使得物體的溫度降低了0.3攝氏度。經(jīng)過(guò)多年的努力，他們?cè)?011年用波長(zhǎng)為1020納米的激光成功的將摻鐿氟化釔鋰晶體的溫度從室溫降到零下160攝氏度。這一制冷紀(jì)錄已經(jīng)超越基于半導(dǎo)體溫差電效應(yīng)的制冷器件，但是也達(dá)到了稀土摻雜材料的最低冷卻極限。

        由于半導(dǎo)體材料獨(dú)特的物理性質(zhì)，理論上它具有更大冷卻效率和低達(dá)零下260攝氏度的冷卻極限。這一溫度可以替代幾乎所有的冷卻劑，包括超導(dǎo)體必須的冷卻劑液氦。半導(dǎo)體材料能夠很容易的集成在一起，因此被認(rèn)為是下一代光學(xué)制冷器的候選材料。然而，長(zhǎng)久以來(lái)研究者雖然在III-V族半導(dǎo)體材料如砷化鎵進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上地廣泛的研究，但由于這種材料低的電子和聲子耦合效率和高的熒光光子再吸收效應(yīng)，使得人們一直沒(méi)有得到真正地實(shí)現(xiàn)激光冷卻。

        熊啟華教授領(lǐng)導(dǎo)的科研組成員張俊博士和博士生李德慧利用一種II-VI族半導(dǎo)體納米材料－硫化鎘納米帶，用波長(zhǎng)為514納米的綠色激光成功的將其溫度從零上20攝氏度降低到零下20攝氏度；同時(shí)他們還證明即使在低溫零下173攝氏度，仍然可以用532納米的激光將半導(dǎo)體硫化鎘納米帶的溫度降低約15攝氏度。

        研究人員認(rèn)為有兩點(diǎn)可以解釋實(shí)驗(yàn)的成功：第一是得益于硫化鎘半導(dǎo)體具有很強(qiáng)的電子和聲子的耦合作用，在激光激發(fā)下每個(gè)光子可以共振地湮滅一個(gè)甚至多個(gè)聲子而更加有效地帶走硫化鎘納米帶的熱能；第二是實(shí)驗(yàn)中用到的納米帶的厚度小于帶內(nèi)傳播熒光光子的半個(gè)波長(zhǎng)，從而使得帶走多余熱能的高能熒光幾乎百分之百的逃離納米帶而不會(huì)發(fā)生再吸收。

        熊啟華說(shuō)：“這一成果開辟了一個(gè)探索半導(dǎo)體光學(xué)冰箱新的方向，即尋找具有強(qiáng)電子聲子耦合的半導(dǎo)體材料。”