Сингапурские физики впервые создали особое устройство на базе лазера, способное охладить полупроводниковые электронные устройства на несколько десятков градусов Цельсия, что поможет инженерам справляться с нарастающим тепловыделением современной микроэлектроники, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

Лазерные системы охлаждения широко используются в ядерной физике и в исследованиях квантовых свойств микромира. Особые лазерные ловушки и охладители позволяют достичь температур, близких к абсолютному нулю, что практически невозможно при использовании других методов охлаждения. Несмотря на высокую развитость этой технологии, ее так и не удалось адаптировать для работы с полупроводниковой электроникой на базе кремния и арсенида галлия.

Группа физиков под руководством Цихуа Сюна (Qihua Xiong) из Технологического университета Наньян в Сингапуре разработала новую методику лазерного охлаждения, наблюдая за тем, как нанополоски из другого типа полупроводника, соединения серы и кадмия, реагировали на луч лазера.

Как объясняют ученые, при облучении лазером атомы материи, на которую направлен прибор, поглощают фотоны его излучения. При некоторых условиях часть из этих фотонов испускается обратно с более высокой частотой, на что расходуется дополнительная энергия, извлекаемая из тепловых колебаний атомов. Благодаря этому облучение лазером охлаждает материю, а не нагревает ее. Данный эффект — так называемая антистоксовая люминесценция — широко используется в системах лазерного охлаждения атомов.

Сюн и его коллеги обнаружили, что антистоксовая люминесценция возникает в полосках из сульфида кадмия со специально подобранной толщиной и структурой. Пытаясь достичь максимального охлаждения, ученые перебрали несколько вариантов лазерных излучателей, пока не остановились на обычном зеленом лазере с длиной волны в 514 нанометров.

По словам исследователей, зеленый лазер смог охладить закрученные в кольца полоски из сульфида кадмия на 40 градусов Цельсия при комнатной температуре. По мере понижения температуры материала и окружающей среды эффективность охлаждения постепенно снижается, пока она не достигает минимума при 93 градусах Цельсия ниже нуля.

Как отмечают исследователи, аналогичную методику охлаждения можно будет применять и для кремниевых микрочипов после проведения дополнительных исследований. Сюн и его коллеги полагают, что подобные лазерные «кулеры» можно будет встраивать в миниатюрные электронные приборы, благодаря небольшому расходу энергии и компактности современных лазеров.