Al grande pubblico, i laser riscaldano gli oggetti. E in generale, sarebbe corretto.

Ma i laser promettono anche di fare esattamente il contrario:raffreddare i materiali. I laser in grado di raffreddare i materiali potrebbero rivoluzionare campi che vanno dalla bio-immagine alla comunicazione quantistica.

Nel 2015, I ricercatori dell'Università di Washington hanno annunciato di poter utilizzare un laser per raffreddare l'acqua e altri liquidi al di sotto della temperatura ambiente. Ora quella stessa squadra ha usato un approccio simile per refrigerare qualcosa di molto diverso:un semiconduttore solido. Come mostra il team in un articolo pubblicato il 23 giugno in Comunicazioni sulla natura , potrebbero usare un laser a infrarossi per raffreddare il semiconduttore solido di almeno 20 gradi C, o 36 F, al di sotto della temperatura ambiente.

Il dispositivo è un cantilever, simile a un trampolino. Come un trampolino dopo che un nuotatore si tuffa in acqua, il cantilever può vibrare ad una frequenza specifica. Ma questo cantilever non ha bisogno di un subacqueo per vibrare. Può oscillare in risposta all'energia termica, o energia termica, a temperatura ambiente. Dispositivi come questi potrebbero creare sensori optomeccanici ideali, dove le loro vibrazioni possono essere rilevate da un laser. Ma quel laser riscalda anche il cantilever, che ne smorza le prestazioni.

"Storicamente, il riscaldamento laser dei dispositivi su scala nanometrica è stato un grosso problema che è stato nascosto sotto il tappeto, ", ha affermato l'autore senior Peter Pauzauskie, un professore UW di scienza e ingegneria dei materiali e uno scienziato senior presso il Pacific Northwest National Laboratory. "Stiamo usando la luce a infrarossi per raffreddare il risonatore, che riduce le interferenze o il "rumore" nel sistema. Questo metodo di refrigerazione allo stato solido potrebbe migliorare significativamente la sensibilità dei risonatori optomeccanici, ampliare le loro applicazioni nell'elettronica di consumo, laser e strumenti scientifici, e aprire la strada a nuove applicazioni, come i circuiti fotonici."

Il team è il primo a dimostrare "la refrigerazione laser a stato solido di sensori su nanoscala, " ha aggiunto Pauzauskie, che è anche membro di facoltà presso l'UW Molecular Engineering &Sciences Institute e l'UW Institute for Nano-engineered Systems.

I risultati hanno ampie potenziali applicazioni grazie sia alle prestazioni migliorate del risonatore che al metodo utilizzato per raffreddarlo. Le vibrazioni dei risonatori a semiconduttore li hanno resi utili come sensori meccanici per rilevare accelerazioni, messa, temperatura e altre proprietà in una varietà di dispositivi elettronici, come gli accelerometri per rilevare la direzione verso cui è rivolto uno smartphone. Interferenze ridotte potrebbero migliorare le prestazioni di questi sensori. Inoltre, l'utilizzo di un laser per raffreddare il risonatore è un approccio molto più mirato per migliorare le prestazioni del sensore rispetto al tentativo di raffreddare un intero sensore.

Nella loro configurazione sperimentale, un piccolo nastro, o nanonastro, di solfuro di cadmio si estendeva da un blocco di silicio e subirebbe naturalmente oscillazioni termiche a temperatura ambiente.

Alla fine di questo trampolino, il team ha posizionato un minuscolo cristallo di ceramica contenente un tipo specifico di impurità, ioni itterbio. Quando il team ha focalizzato un raggio laser infrarosso sul cristallo, le impurità hanno assorbito una piccola quantità di energia dal cristallo, facendolo brillare con una luce che è più corta in lunghezza d'onda rispetto al colore del laser che lo ha eccitato. Questo effetto "bagliore blueshift" ha raffreddato il cristallo ceramico e il nanonastro semiconduttore a cui era attaccato.

"Questi cristalli sono stati accuratamente sintetizzati con una concentrazione specifica di itterbio per massimizzare l'efficienza di raffreddamento, " ha detto il co-autore Xiaojing Xia, uno studente di dottorato UW in ingegneria molecolare.

I ricercatori hanno utilizzato due metodi per misurare quanto il laser ha raffreddato il semiconduttore. Primo, hanno osservato cambiamenti alla frequenza di oscillazione del nanonastro.

"Il nanonastro diventa più rigido e fragile dopo il raffreddamento, più resistente alla flessione e alla compressione. Di conseguenza, oscilla ad una frequenza più alta, che ha verificato che il laser aveva raffreddato il risonatore, ", ha detto Pauzauskie.

Il team ha anche osservato che la luce emessa dal cristallo si spostava in media su lunghezze d'onda più lunghe man mano che aumentavano la potenza del laser, che indicava anche il raffreddamento.

Utilizzando questi due metodi, i ricercatori hanno calcolato che la temperatura del risonatore era scesa di ben 20 gradi C al di sotto della temperatura ambiente. L'effetto di refrigerazione è durato meno di 1 millisecondo ed è durato finché il laser di eccitazione era acceso.

"Negli anni a venire, Aspetterò con impazienza di vedere la nostra tecnologia di raffreddamento laser adattata da scienziati di vari campi per migliorare le prestazioni dei sensori quantistici, " ha detto l'autore principale Anupum Pant, uno studente di dottorato UW in scienza e ingegneria dei materiali.

I ricercatori affermano che il metodo ha altre potenziali applicazioni. Potrebbe costituire il cuore di strumenti scientifici altamente precisi, usando i cambiamenti nelle oscillazioni del risonatore per misurare con precisione la massa di un oggetto, come una singola particella virale. I laser che raffreddano i componenti solidi potrebbero essere utilizzati anche per sviluppare sistemi di raffreddamento che evitino il surriscaldamento dei componenti chiave dei sistemi elettronici.