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作者：Valerie C. Coffey
眾所周知，激光可以應(yīng)用于金屬切割等工業(yè)應(yīng)用，或具有作為防御武器的潛力：它們使人們想起強(qiáng)大的、可見的、灼熱的光束。激光與冷卻似乎是相反的兩個(gè)方向。但是多特蒙德工業(yè)大學(xué)和波鴻魯爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)朝著改變這種觀念邁出了第一步，他們使用激光冷卻半導(dǎo)體材料。[1]在該過(guò)程中，他們仔細(xì)選擇激光束的波長(zhǎng)，通過(guò)光致發(fā)光上轉(zhuǎn)換，被輻照的材料將它的一些能量讓渡給激光束。激光束中的光子吸收材料中粒子（光子）的一些振動(dòng)能量，使目標(biāo)的溫度降低。雖然這種冷卻效應(yīng)已經(jīng)對(duì)原子蒸氣和凝聚態(tài)物質(zhì)，例如染料溶液和玻璃，進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，但其對(duì)另一類凝聚態(tài)物質(zhì)——半導(dǎo)體材料的有效性仍未得到證實(shí)。
在詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究中，Soheyla Eshlaghi和同事們測(cè)試了樣品溫度從液氮到室溫下的寬范圍內(nèi)，激光導(dǎo)致的半導(dǎo)體量子阱的光致發(fā)光冷卻是如何變化的。研究中使用的樣品具有厚度從 2.8~39.3nm的未摻雜砷化鎵（GaAs）量子阱，并被31nm厚的砷化鎵鋁（Ga0.35Al0.65As）勢(shì)壘分隔開。研究人員使用牛津ITC 502型溫度控制儀和加熱器使樣品溫度從4K到室溫下改變，放置在樣品旁的GaAlAs傳感器監(jiān)測(cè)溫度。他們將連續(xù)的鈦寶石激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧到大約 800nm，強(qiáng)度大約為50W/cm2，直接照射到樣品表面上，這使GaAs量子阱產(chǎn)生不同級(jí)別的反斯托克斯光致發(fā)光。
研究人員將目光集中于11.7nm厚的量子阱上，在溫度T低于80K、熱能量kBT（kB為波爾茲曼常數(shù)）小于7meV的條件下，該量子阱在光致發(fā)光光譜中具有最明顯的激子效應(yīng)。在溫度高于20K的測(cè)量中，最高冷卻速率大約為能量△E=2kBT的激光失諧，這種失諧意味著量子阱的激光波長(zhǎng)相對(duì)它的共振能量向下偏移一個(gè)光子能量。
該實(shí)驗(yàn)還獲得了其他幾種值得注意的結(jié)果。研究人員發(fā)現(xiàn)反斯托克斯光致發(fā)光誘導(dǎo)冷卻結(jié)構(gòu)與溫度有關(guān)，換句話說(shuō)，一般而言激光的冷卻效率隨樣品溫度的升高而增加，這與其他冷卻系統(tǒng)相似。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果使計(jì)算理想激光波長(zhǎng)與溫度的函數(shù)關(guān)系成為可能。最后，共同控制樣品溫度以及仔細(xì)選擇激光波長(zhǎng)，可以優(yōu)化激光冷卻效率。
半導(dǎo)體產(chǎn)品的精密性和低成本，對(duì)于激光冷卻半導(dǎo)體技術(shù)是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。不僅免于振動(dòng)的半導(dǎo)體冷卻可能成為現(xiàn)實(shí)，而且也許某一天激光可以用來(lái)冷卻其他激光。
參考文獻(xiàn)：
1. S. Eshlaghi et al., Physical Review B 77, 245317 (2008).
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