Учёные охладили полупроводник светом

Ведущий автор работы Кодзи Усами (Koji Usami) демонстрирует сантиметровый держатель, в котором закреплена экспериментальная мембрана (фото Ola J. Joensen).

Парадоксальное охлаждение за счёт нагревания продемонстрировали специалисты из института Нильса Бора. Авторы опыта считают, что эта технология пригодится для создания высокочувствительных механических и электрических датчиков, а также компонентов квантовых компьютеров.

Физики провели эксперимент в области оптомеханики, изучающей взаимодействие света с подвижными объектами. В качестве испытательного образца выступила пластинка из арсенида галлия. При толщине всего 160 нанометров её размеры превышали 1 х 1 миллиметр, сообщает институт.

Эту наномембрану учёные поместили в специальном держателе в вакуумную камеру и направили на неё лазерный луч мощностью 50 микроватт. Отражённый свет попадал на зеркало и возвращался к пластине полупроводника.

Усами за установкой в институте Нильса Бора (фотографии Ola J. Joensen).

Дальше начиналось самое интересное. Часть света пластинка поглощала, и это приводило к появлению свободных электронов, чуть-чуть разогревавших материал. Разогрев приводил к периодическому термическому расширению, из-за которого менялось расстояние между поверхностью мембраны и зеркала, создавая колебания. А они на ходу изменяли и параметры резонатора.

Авторы эксперимента измеряли колебания мембраны с высокой точностью при помощи пробного луча, направляемого под углом к поверхности. На рисунке зелёный цвет означает -20 мкм/с, красный — +20 мкм/с (иллюстрация Niels Bohr Institutet).

Исследователи установили, что уникальные электронные, оптические и механические свойства пластины при определённом излучении приводят к необычному явлению: хотя мембрана в целом немного нагревается от луча, её тепловые колебания в нужном направлении таким методом можно подавить, причём настолько, что это будет соответствовать падению температуры с комнатной до минус 269 градусов Цельсия.

В новой технологии наблюдается явная аналогия с известным лазерным охлаждением. Но тот способ работает с облаками атомов (ионов) в оптических ловушках, но вовсе не с твёрдыми телами, тем более – макроскопических размеров.

(Подробности опыта можно найти в статье в Nature Physics.)



Обнаружена внеземная природа натурального квазикристалла

13 января 2012

Квантовая эффективность солнечной батареи впервые превысила 100%

16 декабря 2011

Учёные создали камеру с частотой триллион кадров в секунду

15 декабря 2011

Физики уловили возможные следы бозона Хиггса

13 декабря 2011

Испытан самый маленький в мире двигатель Стирлинга

12 декабря 2011
  • Сергей Скалба  23 января, 22:29
    Огонь, который не греет — уже повсюду, теперь очередь за холодом, который не холодит.
    ОтветитьНравится
  • Борис Минтарский  23 января, 23:07
    Наши руки привыкли к пластмассе, наши руки отвыкли держать серебро ©

    Уже есть колбаса, которая не колбаса, кофе, который не кофе, деньги, которые не деньги... работа, которая не работа. Какая-то нежизнь, ей бо... которая есть жизнь.

    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  24 января, 17:56
    Да: «микроклимат и микромир» — слова из бардовской песни.
    ОтветитьНравится
  • Валера Файрфлаев  26 января, 14:44
    короче... база атакует!
    ))
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  27 января, 16:02
    Давайте жить мирно.
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  23 января, 22:46
    Не совсем понятно, что авторы в данном случае считают температурой пластинки — хаотическое колебание составляющих ее атомов или скоординированное колебание всей пластинки под действием импульсов? В первом случае они охлаждения не получили, а во втором — тем более, так как движение атомов тела из-за перемещения самого тела — это не температура:)
    ОтветитьНравится
  • Виктор Меер  24 января, 10:01
    Ничего удивительного, это тот случай когда одно и то же явление пытаются одновременно описать законами классической и квантовой физики. На границе двух наук всегда скрывается много интересного и непознанного. В недалеком будущем исследования этой области приведут к преодолению Принципа Ландауэра, ограничивающего вычислительную мощность компьютеров, и возможно помогут обойти второй закон термодинамики, за чем последует революция в эффективности энергопотребления.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  24 января, 15:22
    динозавр из «2012»: О нет, опять!
    ОтветитьНравится
  • Хажевский Андрей  23 января, 23:55
    Температура — суммарная величина энергий колебательных и вращательных движений. И если вы считаете что у них не температура, то что означает значение -269 гр.Цельсия?
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  24 января, 11:57
    Температура — суммарная величина энергий колебательных и вращательных движений.

    Все правильно. Вот только в системе отсчета пластинки! Потому как если брать произвольные системы отсчета, то почему бы сразу не взять систему какого-нибудь фотона, движущегося со скоростью света, и не получить температуру пластинки равную бесконечности? :) Надеюсь, не нужно объяснять, что сумма движений в системе пластинки после импульса возросла, а не уменьшилась.

    А что такое -269 гр. Цельсия в данном случае — это я как раз и хотел выяснить. Но уж точно не температура вещества пластинки.

    ОтветитьНравится
  • Хажевский Андрей  23 января, 23:57
    Кто читал оригинальную статью, скажите пожалуйста, если пластинка получает энергию, то как она её отдаёт? В виде какого излучения?
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  24 января, 12:20
    Она ее не отдает. Цитата: «хотя мембрана в целом немного нагревается от луча, её тепловые колебания в нужном направлении таким методом можно подавить». Энергия пластинкой не теряется, просто она не вибрирует макроскопически.
    ОтветитьНравится
  • Александр Лалетин  24 января, 00:23
    Температура это исключительно энергия вращения фрагментов материи. И этот эксперимент это подтверждает, именно вращение возможно тормозить контактом с встречным движением. Это и продемонстрировали.
    ОтветитьНравится
  • Хажевский Андрей  24 января, 09:47
    В узлах кристаллической решётки скорее колебательное движение чем вращательное. И на мой взгляд проще тормозить колебательное движение, видимо для этого они меняли частоту резонатора. Но вопрос в другом, за счёт чего пластина теряет энергию? Электро-магнитное излучение? Какой-нибудь цикл связанный с расширением, тогда что является холодильником? Законы термодинамики ещё никто не отменял, вот и интересно, куда девается энергия?
    ОтветитьНравится
  • Андрей Лобанов  24 января, 14:58
    Энергия излучается всей пластинкой, т.к. частота ее вибраций является тепловым излучением, поэтому пластинка излучает больше, чем принимает. Охлаждается поэтому не до абсолютного нуля.
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  24 января, 19:05
    :))) Это пять, Макс Планк вертится в гробу! И что же эта пластинка колеблет? Эфир? И излучает когерентное излучение с частотой вибрации?
    ОтветитьНравится
  • Андрей Лобанов  24 января, 20:32
    я не писал, что она колеблет. Я написал что она излучает энергии больше, чем поглощает.
    ОтветитьНравится
  • Олег Сазонов  27 февраля, 14:08
    «она излучает энергии больше, чем поглощает.»

    Так не бывает. Коэффициент лучеизлучения всегда в точности равен коэффициенту лучепоглощения. Иначе получается вечный двигатель.
    ОтветитьНравится
  • Александр Лалетин  24 января, 10:37
    Энергия это количество движения, тепловая энергия обладает стабильностью, которую невозможно объяснить хаотическими колебаниями.
    Да и если смотреть на космос как на увеличенную модель нашего микро мира, то кроме вращательного движения там трудно найти еще что.
    ОтветитьНравится
  • Виталий Древенчук  24 января, 10:54
    разве атомы в кристаллической решетке колебаются синхронно в одном направлении, ведь только так можно остановить их движение во всей пластине.поправьте если я не прав
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  24 января, 11:59
    Так в том и дело. В этой статье подмена понятий, кислое путают с красным:)
    ОтветитьНравится
  • Хажевский Андрей  24 января, 10:57
    Тогда как же вы можете объяснить броуновское движение? Деформацоинные колебания, симметричные и асимметричные валентные колебания не являются вращательными. И насколько помню курс квантовой химии крутильные колебания молекул не являются вращательными. О чём свидетельствуют соответствующие колебательные спектры. Не надо сравнивать микро мир с космосом. В космосе основная сила — гравитация, в микромире — электро-магнитные взаимодействия.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  24 января, 12:50
    -- Чудненько .. это не имеет отношение к Броуновскому движению.и к «коллективному» движению двухмерной поверхности .. тут вопрос в эфективной «откачке» энергии через свободные электроны ..
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  24 января, 13:27
    -- Почему не имеет: потому что , то что касается механического движения, мы имеем сверхтонкую мембрану.. В такой ситуации она будет колебаться цугом волн. Как в море волны .. "направленного эффекта ждать не приходится .. Но совершенно другое дело, что, в такой тонкой мембране — поверхностные ствойства имеют существенный вклад в объёмные. Т.о. — тут мы наблюдаем «скачивание» энергии поверхностных электронов. Естествено, важна взаимная фаза заимодействующих фронтов когерентного ЭМИ — Самое интересное ,что этот эффект обратим ..
    ОтветитьНравится
  • Сергей Скалба  24 января, 16:20
    Вобщем, если опробировать глобальную селекцию перпетного множества, то станет совершенно ясно (далее серьезно): что поглощенный мембраной свет превращается в тепло, которое, в свою очередь частично излучается в виде механических колебаний (звука), на частоте резонанса этой оптомеханической системы. Вынужденные колебания пластины, опять же в результате резонанса, приводят к синхронизации броуновских колебаний частиц мембраны, т.е. хаотическое движение превращается в упорядоченное, что эквивалентно снижению температуры.
    Очевидно, что использовать такое охлаждение для извлечения механической энергии нагретого тела невозможно, так как энергию этому тепловому насосу поставляет внешний источник. Который собственно и поддерживает колебание пластины в оптомеханическом резонаторе.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  24 января, 19:06
    В кристаллических решётках — не существует Броуновского движения.. это азы.. Нагрев — тут не связан с охлаждением .. это скорее побочный эффект .
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  24 января, 19:08
    О каких резонансах вы здесь говорите ? вообще,эти вещи просто рассчитываются.. если говорите — будьте добры дать оценку частоты.. я могу ..
    ОтветитьНравится
  • Олег Агапов  25 января, 15:32
    Я так и не понял за счет чего осуществляется откачка тепла. Может у кого-нибудь есть данная статья в электронном виде, а то как-то не хочется 30 баксов платить?
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  25 января, 21:19
    --откачка тепла может быть только с поверхностных электронов ,первичный луч — зелёный цвет — (это где-то 540 нм — это примерно 2,2 эв. ) накачивает полупроводник (ПП) — он оказывается «заполнен» и св.электронами и дырками — на поверхности электроны сбрасывают энергию в виде кванта — но телового . Сама разница в энергиях , горячего и холодного электронов ( теплового кванта) близка — в районе 0,1 эв — поэтому, интерферирующее ЭМ поле охлаждает пластину на грвдусов 300 .. (пропускание у Арс-гал очень высокое ,он почти не поглощает при такой толщине — только активно захватывает, ширина зоны запрещ. арс-гал- обычно от 3,5 до 1,6 эв ..) — Суммарный эффект оказывается отрицательным, Интересно,что внутри полупроводника существует относительно большое число носителей пар эл-дыр... распишем более точно эффект: электрон подходит к границе поверхности, его энергия примерно 2,1 эв — находящаяся в противофазе ЭМВ — взаимодействует с ним (тормозит его ..), забирает 2,2 эв — и холодный электрон с (-) 0,1 эв — возвращается в систему кристаллической решётки пп-ка. Представляется интересным ещё один момент, такой процесс возможен даже в объёме ПП — релаксация возбуждённой пары Эл-дыр — с испусканием теплового кванта — который также почти не поглощается Арс-Гал ПП..
    ОтветитьНравится
  • Shamil Dzhanbolatov  26 января, 18:08
    Сверхпроводник так можно сделать?
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  26 января, 18:25
    -- можно конечно,есть материалы с 60 К ..
    ОтветитьНравится
  • Олег Сазонов  27 февраля, 14:18
    Вроде бы все написано достаточно однозначно...
    «хотя мембрана в целом немного нагревается от луча, её тепловые колебания в нужном направлении таким методом можно подавить»
    Зачем же сочинять?

    Пластина не охлаждается, а нагревается, но в одном направлении ее тепловые колебания подавлены.
    ОтветитьНравится