半导体激光制冷-全固态半导体光学冰箱

图片来源:Nanyang Technological University

最近,来自新加坡南洋理工大学的熊启华教授领导的科研小组首次证明了利用激光可以使半导体的温度从室温冷却到零下20摄氏度,该科研工作发表在最近一期Nature上,并被选为封面。这一突破性的科研成果使得人们有望在未来实现能够直接集成在电子和光电子器件上的全固态、紧凑、无振动、无冷却剂的光学制冷器,如用于航天器上高灵敏探测器、红外夜视仪、电脑芯片等。

日常生活经验告诉我们物体可以吸收光的能量而发热,比如我们在沙滩上晒太阳,在太阳炙烤的马路上光脚难于着地;又比如工业上用激光进行机械加工和切割。如果有人告诉你激光可以用来制冷,你也许会觉得有些违背常理。事实上,激光已经用来冷却原子和特定稀土掺杂的玻璃或者晶体。

激光冷却固体也被称之为光学冰箱(Optical Refrigerator),其概念早在1929年就由德国物理学家Peter Pringsheim提出。其基本原理是:当用一个能量稍低的单色光去照射一个会发出能量稍高的荧光的物质的时候 — 这一过程被称为荧光上转换(fluorescence upconversion),由能量守恒原理可知发出的高能荧光光子会把热能从物质中带走,使得原来物质中原子热运动动能降低从而使它的温度降低。这一原理后来被用来冷却稀薄的原子气体。当用一束能量稍低于铷原子跃迁所需能量的激光照射铷原子气的时候,运动速度与激光方向相反的原子比其他方向的原子感受到的激光的能量会更高,因此这些原子会吸收低能激光光子而散射出更高能量的光子。在这一过程中,散射的多余的能量使得这个方向的原子的速度会降低,从而可以使原子气的温度降低到非常接近于绝对零度。这就是原子气体的多普勒制冷,它与固体的激光制冷有很大的相似性,唯一的不同是固体里原子没有位移动能,而是晶格的原子热振动能提供了荧光上转换所需的额外能量和动量。原子气的激光冷却以及与之相关的精密光谱技术,玻色-爱因斯坦凝聚,量子力学基础问题及量子纠缠的研究的贡献已被授予多次诺贝尔物理学奖(1989,1997,2001, 2005和2012年度)。

在激光制冷的概念提出20年后,Kastler等人就提出稀土掺杂的固体材料可能具有激光制冷的潜力。后来科学家有诸多失败的尝试,固体材料的激光制冷直到1995年才第一次被美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家在实验上观察到。他们用波长为1010纳米的激光照射稀土钇掺杂的玻璃,使得物体的温度降低了0.3摄氏度。经过多年的努力,他们在2011年用波长为1020纳米的激光成功的将掺镱氟化钇锂晶体的温度从室温降到零下160摄氏度。这一制冷记录已经超越基于半导体温差电效应的制冷器件,但是也达到了稀土掺杂材料的最低冷却极限。由于半导体材料独特的物理性质,理论上它具有更大冷却效率和低达零下260摄氏度的冷却极限。这一温度可以替代几乎所有的冷却剂,包括超导体必须的冷却剂液氦;而且半导体材料是现代电子和光电子器件的基石从而能够很容易的集成在一起,因此被认为是下一代光学制冷器的候选材料。然而,长久以来研究者虽然在III-V族半导体材料如砷化镓进行了理论和实验上地广泛的研究,但是由于这种材料低的电子和声子(声子是表征固体晶格振动的元激发或量子)耦合效率和高的荧光光子再吸收效应,使得人们一直没有得到真正地实现激光冷却。

来自熊启华教授科研组的张俊博士和博士生李德慧利用一种II-VI族半导体纳米材料-硫化镉纳米带,用波长为514纳米的绿色激光成功的将其温度从零上20摄氏度降低到零下20摄氏度;同时他们还证明即使在低温零下173摄氏度,仍然可以用532纳米的激光将半导体硫化镉纳米带的温度降低约15摄氏度。作者认为有两点可以解释实验的成功:第一是得益于硫化镉半导体具有很强的电子和声子的耦合作用,在激光激发下每个光子可以共振地湮灭一个甚至多个声子而更加有效地带走硫化镉纳米带的热能;第二是实验中用到的纳米带的厚度小于带内传播荧光光子的半个波长,从而使得带走多余热能的高能荧光几乎百分之百的逃离纳米带而不会发生再吸收。文章作者说:“这一成果开辟了一个探索半导体光学冰箱新的方向,即寻找具有强电子声子耦合的半导体材料。”