Para el público en general, los láseres calientan objetos. Y en general, eso sería correcto.
Pero los láseres también prometen hacer todo lo contrario: enfriar materiales. Los láseres que pueden enfriar materiales podrían revolucionar campos que van desde la bioimagen hasta la comunicación cuántica.
En 2015, los investigadores de la Universidad de Washington anunciaron que pueden usar un láser para enfriar agua y otros líquidos por debajo de la temperatura ambiente. Ahora ese mismo equipo ha utilizado un enfoque similar para refrigerar algo bastante diferente: un semiconductor sólido. Como muestra el equipo enun artículo publicado el 23 de junio en Comunicaciones de la naturaleza podrían usar un láser infrarrojo para enfriar el semiconductor sólido en al menos 20 grados C, o 36 F, por debajo de la temperatura ambiente.
El dispositivo es un voladizo, similar a un trampolín. Al igual que un trampolín después de que un nadador salta al agua, el voladizo puede vibrar a una frecuencia específica. Pero este voladizo no necesita un buzo para vibrar.puede oscilar en respuesta a la energía térmica, o energía térmica, a temperatura ambiente. Dispositivos como estos podrían ser sensores optomecánicos ideales, donde sus vibraciones pueden ser detectadas por un láser. Pero ese láser también calienta el voladizo, lo que disminuye su rendimiento.
"Históricamente, el calentamiento por láser de dispositivos a nanoescala fue un problema importante que quedó oculto debajo de la alfombra", dijo el autor principal Peter Pauzauskie, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la UW y científico principal en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico ".están utilizando luz infrarroja para enfriar el resonador, lo que reduce la interferencia o 'ruido' en el sistema. Este método de refrigeración de estado sólido podría mejorar significativamente la sensibilidad de los resonadores optomecánicos, ampliar sus aplicaciones en electrónica de consumo, láser e instrumentos científicos, y pavimentarel camino para nuevas aplicaciones, como los circuitos fotónicos "
El equipo es el primero en demostrar la "refrigeración por láser de estado sólido de sensores a nanoescala", agregó Pauzauskie, quien también es miembro de la facultad en el Instituto de Ingeniería y Ciencias Moleculares de UW y el Instituto de Sistemas de Nanoingeniería de UW.
Los resultados tienen amplias aplicaciones potenciales debido al rendimiento mejorado del resonador y al método utilizado para enfriarlo. Las vibraciones de los resonadores semiconductores los han hecho útiles como sensores mecánicos para detectar aceleración, masa, temperatura y otras propiedades en una variedadde electrónica, como acelerómetros para detectar la dirección a la que se dirige un teléfono inteligente. La reducción de la interferencia podría mejorar el rendimiento de estos sensores. Además, el uso de un láser para enfriar el resonador es un enfoque mucho más específico para mejorar el rendimiento del sensor en comparación con tratar de enfriarun sensor completo
En su configuración experimental, una pequeña cinta, o nanoribón, de sulfuro de cadmio se extendía desde un bloque de silicio, y naturalmente sufriría una oscilación térmica a temperatura ambiente.
Al final de este trampolín, el equipo colocó un pequeño cristal de cerámica que contiene un tipo específico de impureza, iones de iterbio. Cuando el equipo enfocó un rayo láser infrarrojo en el cristal, las impurezas absorbieron una pequeña cantidad de energía del cristal, haciendo que brille en una luz que tiene una longitud de onda más corta que el color del láser que lo excitó. Este efecto de "resplandor azul" enfrió el cristal cerámico y el nanoribón semiconductor al que estaba unido.
"Estos cristales se sintetizaron cuidadosamente con una concentración específica de iterbio para maximizar la eficiencia de enfriamiento", dijo el coautor Xiaojing Xia, estudiante de doctorado en ingeniería molecular de la UW.
Los investigadores utilizaron dos métodos para medir cuánto enfrió el láser el semiconductor. Primero, observaron cambios en la frecuencia de oscilación del nanoribón.
"El nanoribón se vuelve más rígido y quebradizo después del enfriamiento, más resistente a la flexión y la compresión. Como resultado, oscila a una frecuencia más alta, lo que verificó que el láser había enfriado el resonador", dijo Pauzauskie.
El equipo también observó que la luz emitida por el cristal se desplazó en promedio a longitudes de onda más largas a medida que aumentaban la potencia del láser, lo que también indicaba enfriamiento.
Usando estos dos métodos, los investigadores calcularon que la temperatura del resonador había descendido hasta 20 grados C por debajo de la temperatura ambiente. El efecto de refrigeración tomó menos de 1 milisegundo y duró tanto tiempo como el láser de excitación estaba encendido.
"En los próximos años, miraré ansiosamente para ver nuestra tecnología de enfriamiento por láser adaptada por científicos de diversos campos para mejorar el rendimiento de los sensores cuánticos", dijo el autor principal Anupum Pant, estudiante de doctorado de la Universidad de Washington en ciencias e ingeniería de materiales.
Los investigadores dicen que el método tiene otras aplicaciones potenciales. Podría formar el corazón de instrumentos científicos de alta precisión, utilizando cambios en las oscilaciones del resonador para medir con precisión la masa de un objeto, como una sola partícula de virus. Los láseres que enfrían componentes sólidos también podríanse utilizará para desarrollar sistemas de enfriamiento que eviten el sobrecalentamiento de los componentes clave de los sistemas electrónicos.
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