Первый лазер был изготовлен в 1960-х годах и в те времена эти устройства рассматривались исключительно в качестве источников световой и тепловой энергии, которая способна нагревать поверхность объекта, на которую падает луч лазерного света. Гораздо позже, в 1995 году, ученые из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе впервые продемонстрировали технологию охлаждения микроскопических объектов при помощи лазера. С того времени такая технология используется достаточно широко в науке и технике, где при ее помощи преимущественно охлаждают наночастицы, молеекулы, отдельные атомы или облака из атомов, пойманные в магнитные ловушки внутри вакуумных камер. Но вплоть до последнего времени технология лазерного охлаждения еще никогда не использовалась для понижения температуры жидкости.
Но недавно ученым из Вашингтонского университета удалось решить задачу, над которой другие ученые безуспешно бились в течение нескольких десятков лет. Им, при помощи света инфракрасного лазера, удалось добиться понижения температуры капли воды на 36 градусов относительно температуры окружающей среды.
Охлаждение жидкости
Более низкоэнергетический инфракрасный свет для технологии лазерного охлаждения жидкости был выбран с прицелом на использование этой технологии в биологии и биомедицине. Ведь луч более высокоэнергетического света видимого диапазона попросту может сжечь или «сварить» живые клетки, которые будут находиться в среде охлаждаемой жидкости.
Следует отметить, что луч лазерного света в данном случае не охлаждал жидкость непосредственно. Он поглощался микроскопическим кристаллом, изготовленным из определенного материала, обладающего уникальными оптическими свойствами. Благодаря этим свойствам, кристалл, поглощая фотоны инфракрасного света, испускал фотоны, обладающие гораздо более высоким уровнем энергии, а недостающая для этого энергия черпалась из окружающей кристалл среды, жидкости, что приводило к ее охлаждению.
Основной проблемой в данном случае является процесс выращивания микроскопических кристаллов, необходимых для разработанной учеными технологии лазерного охлаждения жидкости. Обычно процессы выращивания кристаллов, которые родственны кристаллам, используемым в качестве стержней твердотельных лазеров, сложны и дороги, грамм кристаллического материала может стоить тысячи долларов. Но ученым удалось найти простой, недорогой и быстрый процесс, позволяющий производить микроскопические кристаллики «лазерного» материала.
До сих пор ученые проводили эксперименты с капелькой жидкости, в которой находился всего один нанокристалл, что и было причиной относительно небольшого понижения температуры жидкости. К сожалению, использование большего количества кристаллов в жидкости потребует увеличения интенсивности света лазерного луча, что может привести к нарушению энергетического баланса процесса охлаждения. Другими словами, свет лазера вместо того, чтобы охлаждать жидкость, будет ее нагревать. Но ученые в самом ближайшем времени собираются увеличить эффективность процесса охлаждения при помощи нанокристаллов из других материалов или путем придания этим кристаллам определенных размеров и формы.
Подобная технология охлаждения может найти применение в промышленности, в частности, в электронике. Представьте себе мощные микропроцессоры, к которым подходят не трубки систем водяного охлаждения, а световоды, по которым к их кристаллам поступает лазерный свет для их охлаждения. Кроме этого, микроскопические кристаллики, внедренные внутрь живых клеток, позволят выборочно охлаждать только определенные их части, замедляя происходящие там процессы и давая ученым возможность увидеть их и изучить все тонкости. Более того, такая технология позволит охладить один или группу нейронов в сложной сети, не убивая их. Это, если не прервет, то затормозит работу этой сети и такая возможность может стать очень полезной для нейробиологических исследований и терапии некоторых неврологических заболеваний.
