Al público en general, los láseres calientan objetos. Y en general, eso sería correcto.

Pero los láseres también prometen hacer todo lo contrario:enfriar materiales. Los láseres que pueden enfriar materiales podrían revolucionar campos que van desde la bioimagen hasta la comunicación cuántica.

En 2015, Investigadores de la Universidad de Washington anunciaron que pueden usar un láser para enfriar agua y otros líquidos por debajo de la temperatura ambiente. Ahora, ese mismo equipo ha utilizado un enfoque similar para refrigerar algo bastante diferente:un semiconductor sólido. Como muestra el equipo en un artículo publicado el 23 de junio en Comunicaciones de la naturaleza , podrían usar un láser infrarrojo para enfriar el semiconductor sólido por al menos 20 grados C, o 36 F, por debajo de la temperatura ambiente.

El dispositivo es un voladizo, similar a un trampolín. Como un trampolín después de que un nadador salta al agua, el voladizo puede vibrar a una frecuencia específica. Pero este voladizo no necesita un buzo para vibrar. Puede oscilar en respuesta a la energía térmica, o energía térmica, a temperatura ambiente. Dispositivos como estos podrían ser sensores optomecánicos ideales, donde sus vibraciones pueden ser detectadas por un láser. Pero ese láser también calienta el voladizo, lo que amortigua su rendimiento.

"Históricamente, el calentamiento por láser de los dispositivos a nanoescala fue un problema importante que se ocultó debajo de la alfombra, "dijo el autor principal Peter Pauzauskie, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington y científico principal del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. "Estamos usando luz infrarroja para enfriar el resonador, que reduce la interferencia o el "ruido" en el sistema. Este método de refrigeración de estado sólido podría mejorar significativamente la sensibilidad de los resonadores optomecánicos, ampliar sus aplicaciones en electrónica de consumo, láseres e instrumentos científicos, y allanar el camino para nuevas aplicaciones, como los circuitos fotónicos ".

El equipo es el primero en demostrar "refrigeración por láser de estado sólido de sensores a nanoescala, "agregó Pauzauskie, quien también es miembro de la facultad del Instituto de Ciencias e Ingeniería Molecular de la UW y del Instituto de Sistemas de Nanoingeniería de la Universidad de Washington.

Los resultados tienen amplias aplicaciones potenciales debido tanto al rendimiento mejorado del resonador como al método utilizado para enfriarlo. Las vibraciones de los resonadores semiconductores los han hecho útiles como sensores mecánicos para detectar aceleraciones, masa, temperatura y otras propiedades en una variedad de dispositivos electrónicos, como acelerómetros para detectar la dirección en la que se encuentra un teléfono inteligente. La reducción de la interferencia podría mejorar el rendimiento de estos sensores. Además, Usar un láser para enfriar el resonador es un enfoque mucho más específico para mejorar el rendimiento del sensor en comparación con tratar de enfriar un sensor completo.

En su configuración experimental, una pequeña cinta, o nanocintas, de sulfuro de cadmio se extendía desde un bloque de silicio y, naturalmente, sufriría una oscilación térmica a temperatura ambiente.

Al final de este trampolín, el equipo colocó un diminuto cristal de cerámica que contenía un tipo específico de impureza, iones de iterbio. Cuando el equipo enfocó un rayo láser infrarrojo en el cristal, las impurezas absorbieron una pequeña cantidad de energía del cristal, haciendo que brille con una luz de longitud de onda más corta que el color del láser que lo excitó. Este efecto de "resplandor de desplazamiento al azul" enfrió el cristal cerámico y la nanocinta semiconductora a la que estaba unido.

"Estos cristales se sintetizaron cuidadosamente con una concentración específica de iterbio para maximizar la eficiencia de enfriamiento, "dijo el coautor Xiaojing Xia, un estudiante de doctorado de la UW en ingeniería molecular.

Los investigadores utilizaron dos métodos para medir cuánto enfriaba el semiconductor el láser. Primero, observaron cambios en la frecuencia de oscilación de la nanocinta.

"La nanocinta se vuelve más rígida y quebradiza después de enfriarse, más resistente a la flexión y la compresión. Como resultado, oscila a una frecuencia más alta, que verificó que el láser había enfriado el resonador, "dijo Pauzauskie.

El equipo también observó que la luz emitida por el cristal cambiaba en promedio a longitudes de onda más largas a medida que aumentaban la potencia del láser. que también indicó enfriamiento.

Usando estos dos métodos, los investigadores calcularon que la temperatura del resonador había caído hasta 20 grados C por debajo de la temperatura ambiente. El efecto de refrigeración tomó menos de 1 milisegundo y duró mientras el láser de excitación estuvo encendido.

"En los próximos años, Esperaré ansiosamente ver nuestra tecnología de enfriamiento láser adaptada por científicos de varios campos para mejorar el rendimiento de los sensores cuánticos, "dijo el autor principal Anupum Pant, un estudiante de doctorado de la UW en ciencia e ingeniería de materiales.

Los investigadores dicen que el método tiene otras aplicaciones potenciales. Podría formar el corazón de instrumentos científicos de alta precisión, usar cambios en las oscilaciones del resonador para medir con precisión la masa de un objeto, como una sola partícula de virus. Los láseres que enfrían componentes sólidos también podrían usarse para desarrollar sistemas de enfriamiento que eviten el sobrecalentamiento de los componentes clave de los sistemas electrónicos.