近日，華盛頓大學一組研究團隊打破激光總是用來加熱物體的常規，通過實驗展示了激光冷凍材料的潛力，該實驗有希望顛覆從生物成像到量子通信等領域。

早在2015年該團隊就已經宣布可以利用激光將水和其他液體冷卻至室溫以下，近日該團隊又用類似的方法來冷卻固體半導體。該論文發表在《自然通訊》上，他們可以使用紅外激光將固體半導體冷卻到比室溫低至少20攝氏度。

研究人員使用的裝置是一個懸臂，類似于跳水板。就像游泳者跳入水中后的跳板一樣，懸臂可以以特定的頻率振動。但這個懸臂不需要潛水員來震動。在室溫下，它會因熱能而振蕩。這樣的設備可以成為理想的光學機械傳感器，激光可以探測到它們的振動。但是激光也會加熱懸臂，從而降低了它的性能。

圖片來源：華盛頓大學

華盛頓大學材料科學與工程教授彼得·鮑佐斯基（Peter Pauzauskie）說：“在歷史上，納米級設備的激光加熱是一個被掩蓋的主要問題。我們使用紅外光冷卻諧振器，以減少系統中的干擾或‘噪音’。這種固態制冷方法可以顯著提高光學機械諧振器的靈敏度，擴大其在消費電子、激光器和科學儀器中的應用，并為光子電路等新應用鋪平道路。”

研究人員表示他們是第一個展示“納米傳感器固態激光制冷”技術的團隊。

由于諧振腔性能和冷卻方法都在不斷改進，該實驗結果具有廣泛的應用前景。半導體諧振器的振動特性使其成為一種有用的機械傳感器，用于探測加速度、質量、溫度和各種電子產品中的其他特性，例如用于探測智能手機朝向的加速度計。減少干擾可以提高傳感器的性能。此外，與冷卻整個傳感器相比，使用激光冷卻諧振器是一種更有針對性的提高傳感器性能的方法。

在懸臂的末端，研究小組放置了一個微小陶瓷晶體，其中含有一種特殊的雜質，鐿離子。當研究小組將紅外線激光束聚焦到晶體上時，雜質從晶體中吸收了少量的能量，使其在波長比激發晶體的激光顏色短的光線中發光。這種“藍移輝光”效應冷卻了陶瓷晶體及其上的半導體納米帶。

研究人員表示這些晶體是用特定濃度的鐿精心合成的，以最大限度地提高冷卻效率。研究人員使用了兩種方法來測量激光冷卻半導體的程度。首先，他們觀察到納米帶振蕩頻率的變化。

鮑佐斯基說：“納米帶在冷卻后變得更硬、更脆、更能抵抗彎曲和壓縮。因此，它以更高的頻率振蕩，這證實了激光已經冷卻了諧振器。”

研究小組還觀察到，隨著激光功率的增加，晶體發出的光平均轉移到更長的波長，這也表明發生了冷卻。

通過這兩種方法，研究人員計算出諧振器的溫度比室溫低了20攝氏度。不到1毫秒就能產生制冷效果，而且只要激發激光持續作用，制冷效果就會持續存在。

研究人員表示很期待他們的激光冷卻技術在未來幾年內被各個領域的科學家采用，以提高量子傳感器的性能。這種方法還有其他潛在的應用。它可以成為高精度科學儀器的核心，利用諧振器振動的變化來精確測量一個物體的質量，比如單個病毒粒子。冷卻固體部件的激光也可用于開發冷卻系統，防止電子系統中的關鍵部件過熱。