Au grand public, les lasers chauffent les objets. Et généralement, ce serait correct.

Mais les lasers promettent également de faire tout le contraire :refroidir les matériaux. Les lasers capables de refroidir les matériaux pourraient révolutionner des domaines allant de la bio-imagerie à la communication quantique.

En 2015, Des chercheurs de l'Université de Washington ont annoncé qu'ils pouvaient utiliser un laser pour refroidir l'eau et d'autres liquides en dessous de la température ambiante. Maintenant, cette même équipe a utilisé une approche similaire pour réfrigérer quelque chose de tout à fait différent :un semi-conducteur solide. Comme l'équipe le montre dans un article publié le 23 juin dans Communication Nature , ils pourraient utiliser un laser infrarouge pour refroidir le semi-conducteur solide d'au moins 20 degrés C, ou 36F, en dessous de la température ambiante.

L'appareil est un cantilever, semblable à un plongeoir. Comme un plongeoir après qu'un nageur ait sauté dans l'eau, le cantilever peut vibrer à une fréquence spécifique. Mais ce cantilever n'a pas besoin d'un plongeur pour vibrer. Il peut osciller en réponse à l'énergie thermique, ou de l'énergie thermique, à température ambiante. Des appareils comme ceux-ci pourraient constituer des capteurs optomécaniques idéaux, où leurs vibrations peuvent être détectées par un laser. Mais ce laser chauffe aussi le cantilever, ce qui nuit à ses performances.

« Historiquement, le chauffage laser des dispositifs nanométriques était un problème majeur qui a été balayé sous le tapis, " a déclaré l'auteur principal Peter Pauzauskie, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW et scientifique principal au Pacific Northwest National Laboratory. "Nous utilisons la lumière infrarouge pour refroidir le résonateur, ce qui réduit les interférences ou le « bruit » dans le système. Cette méthode de réfrigération à l'état solide pourrait améliorer considérablement la sensibilité des résonateurs optomécaniques, élargir leurs applications dans l'électronique grand public, lasers et instruments scientifiques, et ouvrir la voie à de nouvelles applications, comme les circuits photoniques."

L'équipe est la première à démontrer "la réfrigération laser à l'état solide de capteurs nanométriques, " a ajouté Pauzauskie, qui est également membre du corps professoral de l'UW Molecular Engineering &Sciences Institute et de l'UW Institute for Nano-engineered Systems.

Les résultats ont de larges applications potentielles en raison à la fois des performances améliorées du résonateur et de la méthode utilisée pour le refroidir. Les vibrations des résonateurs à semi-conducteurs les ont rendus utiles comme capteurs mécaniques pour détecter l'accélération, Masse, la température et d'autres propriétés dans une variété d'appareils électroniques, tels que les accéléromètres pour détecter la direction dans laquelle un smartphone fait face. La réduction des interférences pourrait améliorer les performances de ces capteurs. En outre, l'utilisation d'un laser pour refroidir le résonateur est une approche beaucoup plus ciblée pour améliorer les performances du capteur par rapport à essayer de refroidir un capteur entier.

Dans leur configuration expérimentale, un petit ruban, ou nanoruban, de sulfure de cadmium s'étendait à partir d'un bloc de silicium et subirait naturellement une oscillation thermique à température ambiante.

Au bout de ce plongeoir, l'équipe a placé un minuscule cristal de céramique contenant un type spécifique d'impureté, ions ytterbium. Lorsque l'équipe a concentré un faisceau laser infrarouge sur le cristal, les impuretés ont absorbé une petite quantité d'énergie du cristal, la faisant briller dans une lumière dont la longueur d'onde est plus courte que la couleur laser qui l'a excitée. Cet effet "blueshift glow" a refroidi le cristal céramique et le nanoruban semi-conducteur auquel il était attaché.

"Ces cristaux ont été soigneusement synthétisés avec une concentration spécifique d'ytterbium pour maximiser l'efficacité de refroidissement, " a déclaré le co-auteur Xiaojing Xia, un doctorant de l'UW en ingénierie moléculaire.

Les chercheurs ont utilisé deux méthodes pour mesurer à quel point le laser refroidissait le semi-conducteur. D'abord, ils ont observé des changements dans la fréquence d'oscillation du nanoruban.

"Le nanoruban devient plus rigide et cassant après refroidissement, plus résistant à la flexion et à la compression. En conséquence, il oscille à une fréquence plus élevée, qui a vérifié que le laser avait refroidi le résonateur, " a déclaré Pauzauskie.

L'équipe a également observé que la lumière émise par le cristal se déplaçait en moyenne vers des longueurs d'onde plus longues à mesure qu'elles augmentaient la puissance du laser, qui indiquait également un refroidissement.

En utilisant ces deux méthodes, les chercheurs ont calculé que la température du résonateur avait chuté jusqu'à 20 degrés C en dessous de la température ambiante. L'effet de réfrigération a pris moins d'une milliseconde et a duré aussi longtemps que le laser d'excitation était allumé.

"Dans les années à venir, J'attendrai avec impatience de voir notre technologie de refroidissement laser adaptée par des scientifiques de divers domaines pour améliorer les performances des capteurs quantiques, " a déclaré l'auteur principal Anupum Pant, un doctorant de l'UW en science et ingénierie des matériaux.

Les chercheurs disent que la méthode a d'autres applications potentielles. Il pourrait former le cœur d'instruments scientifiques de haute précision, utiliser des changements d'oscillations du résonateur pour mesurer avec précision la masse d'un objet, comme une seule particule virale. Les lasers qui refroidissent les composants solides pourraient également être utilisés pour développer des systèmes de refroidissement qui empêchent les composants clés des systèmes électroniques de surchauffer.