> 光達(dá)首頁(yè) > 行業(yè)新聞 物理學(xué)家創(chuàng)建量子制冷機(jī)
2019-03-21
幾十年來(lái)，原子物理學(xué)家利用激光減緩在氣體中“四處亂跳”的原子的速度，并將其冷卻至略高于絕對(duì)零度，以研究它們怪異的量子性質(zhì)。如今，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用類似方法，成功地將物體冷卻。只不過(guò)，這次沒(méi)有利用激光。這種此前從未在試驗(yàn)中得以展示的技術(shù)，或許有一天可被用于冷卻微電子組件。
普通的激光冷卻試驗(yàn)中，物理學(xué)家將來(lái)自相反方向的激光發(fā)射到銣等氣體上。他們精確地調(diào)整激光，以保證如果原子朝著其中一束激光移動(dòng)，會(huì)吸收光子并且獲得朝向中心的輕微后推力。激光會(huì)漸漸耗盡原子的動(dòng)能，從而將氣體冷卻至非常低的溫度。
不過(guò)，美國(guó)密歇根大學(xué)安娜堡分校應(yīng)用物理學(xué)家Pramod Reddy想嘗試在不利用激光特殊性質(zhì)的情況下冷卻物體。他和同事從一個(gè)由通常在熒光屏中出現(xiàn)的半導(dǎo)體材料——發(fā)光二管（LED）制成的小裝置入手。LED利用量子機(jī)械效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化成光。粗略地說(shuō)，LED充當(dāng)了電子的小“坡道”。在正確的方向施加電壓，它會(huì)推動(dòng)電子沿著“坡道”向上并最終翻越它，就像玩滑板的孩子。當(dāng)電子從“坡道”上滑下并進(jìn)入較低能態(tài)時(shí)，便會(huì)釋放光子。
對(duì)于這項(xiàng)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵在于電壓被逆轉(zhuǎn)時(shí)LED不會(huì)釋放光線，因?yàn)殡娮訜o(wú)法在相反方向穿過(guò)“坡道”。事實(shí)上，逆轉(zhuǎn)電壓還抑制了該設(shè)備的紅外輻射——透過(guò)夜視鏡觀看熱物體時(shí)見(jiàn)到的廣譜光線（包括熱量）。
這種方式有效地讓設(shè)備變得更冷。同時(shí)，Reddy表示，這意味著上述小裝置能像微型冰箱一樣運(yùn)行，不過(guò)必須將其放到離另一個(gè)微小物體足夠近的地方。“如果你拿著一個(gè)熱物體和一個(gè)冷物體，就能獲得熱量的輻射交換。”Reddy說(shuō)。為證實(shí)他們能利用LED冷卻，科學(xué)家將一個(gè)物體放到距另一個(gè)被稱為量熱器的熱量測(cè)量裝置僅幾十納米（相當(dāng)于幾百個(gè)原子的寬度）的地方。由于量子隧道效應(yīng)的存在，這個(gè)距離近到足以增加兩個(gè)物體之間的光子轉(zhuǎn)移。這一孔隙是如此之小，以至于光子有時(shí)能跳過(guò)去。
較冷的LED吸收的來(lái)自量熱器的光子比它還回去的多，依靠毛細(xì)作用將熱量從量熱器帶走并使其溫度降低1/100攝氏度。Reddy和同事在日前出版的《自然》雜志上報(bào)告了這一成果。這是很小的變化，但LED的尺寸也很小，它相當(dāng)于每平方米6瓦特的能量通量。相比之下，太陽(yáng)每平方米提供約1000瓦特能量通量。Reddy和同事認(rèn)為，他們或許有一天能通過(guò)減少孔隙大小并且吸走LED內(nèi)累積的熱量，將冷卻通量提升至這一強(qiáng)度。
該技術(shù)可能不會(huì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷技術(shù)，或者將材料冷卻至約60開(kāi)爾文以下。但未參與最新研究的斯坦福大學(xué)理論物理學(xué)家Shanhui Fan認(rèn)為，它或許有潛力被用于冷卻微電子元件。在此前工作中，F(xiàn)an利用計(jì)算機(jī)模型預(yù)測(cè)，如果被放置在離另一個(gè)物體若干納米遠(yuǎn)的地方，LED可產(chǎn)生相當(dāng)大的冷卻效應(yīng)。如今，他表示，Reddy及其團(tuán)隊(duì)已在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了這一想法。
