Обычный процесс охлаждения материалов до криогенных температур весьма сложен, дорог и в некоторых случаях небезопасен для окружающей среды. Поэтому ученые нашли еще несколько методов глубокого охлаждения, одним из которых является метод охлаждения лазерным светом, который в последнее время применяется все шире и шире. Этот метод заключается в том, что фотоны света лазера взаимодействуют с атомами материала, затормаживая их колебания и отбирая их тепловую энергию. Лазерное охлаждение газов и более тяжелых веществ в газообразной фазе успешно применяется уже в течение нескольких лет, но реализация охлаждения твердых материалов с помощью лазера сталкивалась с рядом непреодолимых проблем. И не так давно ученым удалось преодолеть большинство вышеупомянутых проблем, использовав сложные специальные материалы с уникальными физическими свойствами.
В большинстве случаев, луч лазера, переносящий некоторое количество энергии, не ассоциируется с охлаждением материалов. Но в недавних экспериментах исследователям Юн Занг (Jun Zhang), Дехуи Ли (Dehui Li), Ренджи Чен (Renjie Chen) и Кихуа Ксайонг (Qihua Xiong) из Технологического университета Nanyang, Сингапур, удалось применить некоторые физические уловки и понизить температуру полупроводникового кристалла на 40 градусов по шкале Цельсия. Для реализации лазерного охлаждения они использовали особый тип электронного возбуждения в специальном материале, когда фотоны взаимодействовали с возбужденными электронами, они компенсировали это возбуждение, заглушая тепловые колебания в материале.
При лазерном охлаждении газов кинетическая энергия атомов передается фотонам света, с которыми взаимодействуют эти атомы. В твердых же телах тепловые колебания имеют несколько иную природу, колебания атомов материала складываются в псевдо-частицы, фононы, которые могут перемещаться в объеме материала. Эти фононы, являющиеся квантовыми возбуждениями, ведут себя подобно частицами, они могут сталкиваться, отражаться и рассеиваться. И для того, чтобы охладить материал необходимо подавить эти фононы с помощью лазерного света.
Лазерное охлаждение было успешно реализовано для специального материала, имеющего упорядоченную симметричную кристаллическую решетку, в которую были внедрены атомы редкоземельных металлов. Наиболее сильно эффект лазерного охлаждения проявился в кристаллах сульфида кадмия, полупроводникового материала II-VI группы. Этот материал, обладающий некоторыми уникальными свойствами, достаточно широко используется в цифровой электронике. В полупроводниках II-VI группы могут возникать достаточно мощные тепловые фононы, но в таких материалах имеет место быть еще один вид возбуждения, поведение которых напоминает поведение частиц, эксионы. Эти эксионы создаются в результате взаимодействия между электронами и «дырками», искусственно созданными дефектами кристаллической решетки, которые являются переносчиками положительного электрического заряда.
Исследователи нанесли на поверхность кремниевой подложки, покрытой слоем диоксида кремния, тонкий слой сульфида кадмия. После этого на подготовленную таким образом поверхность был наведен луч лазера, очень точно настроенного на определенную длину волны света. Фотоны лазерного света начали взаимодействовать с фононами и эксионами в тонком слое сульфида кадмия. После более точного подбора длины волны света лазера процесс взаимодействия вошел в резонанс, что привело к разрушению фононов, что, в свою очередь, привело к быстрому понижению температуры материала на 40 градусов по шкале Цельсия по сравнению с первоначальной отметкой.
Частоты колебания фононов в использованном материале зависят от начальной температуры. Поэтому, при снижении температуры в результате лазерного охлаждения, частота колебания фононов снижается и для дальнейшего эффективного охлаждения требуется коррекция длины волны лазерного света. Проведенные эксперименты показали, что максимальна эффективность лазерного охлаждения наблюдается и сохраняется при снижении температуры охлаждаемого объекта не более чем на 15 градусов. Изучая резонансные взаимодействия между фотонами света и фононами в материале, исследователи заметили, что весьма просто добиться совершенно обратного эффекта. На некоторых длинах волны света лазера наблюдался интенсивный разогрев материала.
Фононные и эксионные виды возбуждения присутствуют почти во всех полупроводниковых материалах II-VI группы, поэтому для практической реализации лазерного охлаждения можно использовать не только сульфид кадмия. Ученые пока еще не выяснили, можно ли использовать лазерный свет для охлаждения более распространенных полупроводниковых материалов других групп, но и то, чего им удалось достичь, является огромным шагом к реализации практической технологии охлаждения твердых материалов с помощью света лазера.