Till allmänheten, laser värmer föremål. Och i allmänhet, det skulle vara korrekt.

Men lasrar visar också löfte om att göra tvärtom - att kyla material. Lasrar som kan kyla material kan revolutionera områden som sträcker sig från bioavbildning till kvantkommunikation.

2015, University of Washington forskare meddelade att de kan använda en laser för att kyla vatten och andra vätskor under rumstemperatur. Nu har samma team använt ett liknande tillvägagångssätt för att kyla något helt annat:en solid halvledare. Som laget visar i en tidning publicerad 23 juni i Naturkommunikation , de kunde använda en infraröd laser för att kyla den fasta halvledaren med minst 20 grader C, eller 36 F, under rumstemperatur.

Enheten är en cantilever - liknar en hoppbräda. Som en hoppbräda efter att en simmare hoppat av i vattnet, konsolen kan vibrera vid en viss frekvens. Men den här konsolen behöver ingen dykare för att vibrera. Det kan svänga som svar på termisk energi, eller värmeenergi, vid rumstemperatur. Enheter som dessa kan göra idealiska optomekaniska sensorer, där deras vibrationer kan detekteras av en laser. Men den lasern värmer också konsolen, vilket dämpar dess prestanda.

"Historiskt sett, laseruppvärmningen av enheter i nanoskala var ett stort problem som sopades under mattan, " sa seniorförfattaren Peter Pauzauskie, en UW professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och en senior vetenskapsman vid Pacific Northwest National Laboratory. "Vi använder infrarött ljus för att kyla resonatorn, vilket minskar störningar eller "brus" i systemet. Denna metod för kylning i fast tillstånd kan avsevärt förbättra känsligheten hos optomekaniska resonatorer, bredda sina tillämpningar inom hemelektronik, lasrar och vetenskapliga instrument, och bana väg för nya applikationer, såsom fotoniska kretsar."

Teamet är det första att demonstrera "solid-state laser kylning av nanoskala sensorer, " lade Pauzauskie till, som också är fakultetsmedlem vid UW Molecular Engineering &Sciences Institute och UW Institute for Nano-engineered Systems.

Resultaten har breda potentiella tillämpningar på grund av både den förbättrade prestandan hos resonatorn och den metod som används för att kyla den. Vibrationerna från halvledarresonatorer har gjort dem användbara som mekaniska sensorer för att detektera acceleration, massa, temperatur och andra egenskaper i en mängd olika elektronik – som accelerometrar för att upptäcka riktningen en smartphone är vänd mot. Minskad störning kan förbättra prestanda hos dessa sensorer. Dessutom, att använda en laser för att kyla resonatorn är ett mycket mer riktat tillvägagångssätt för att förbättra sensorprestanda jämfört med att försöka kyla en hel sensor.

I deras experimentupplägg, ett litet band, eller nanorband, kadmiumsulfid sträckte sig från ett block av kisel - och skulle naturligt genomgå termisk svängning vid rumstemperatur.

I slutet av denna trampbräda, laget placerade en liten keramisk kristall som innehöll en specifik typ av förorening, ytterbiumjoner. När teamet fokuserade en infraröd laserstråle mot kristallen, föroreningarna absorberade en liten mängd energi från kristallen, får den att lysa i ljus som är kortare i våglängd än laserfärgen som exciterade den. Denna "blueshift glow"-effekt kylde den keramiska kristallen och det halvledarnanoband som den var fäst vid.

"Dessa kristaller syntetiserades noggrant med en specifik koncentration av ytterbium för att maximera kylningseffektiviteten, " sa medförfattaren Xiaojing Xia, en UW doktorand i molekylär teknik.

Forskarna använde två metoder för att mäta hur mycket lasern kylde halvledaren. Först, de observerade förändringar i nanobandets svängningsfrekvens.

"Nanobandet blir styvare och skörare efter kylning - mer motståndskraftigt mot böjning och kompression. Som ett resultat, den svänger med en högre frekvens, som verifierade att lasern hade kylt resonatorn, sa Pauzauskie.

Teamet observerade också att ljuset som sänds ut av kristallen skiftade i genomsnitt till längre våglängder när de ökade laserkraften, vilket också indikerade kylning.

Genom att använda dessa två metoder, forskarna beräknade att resonatorns temperatur hade sjunkit med så mycket som 20 grader C under rumstemperaturen. Kyleffekten tog mindre än 1 millisekund och varade så länge som excitationslasern var på.

"Under de kommande åren, Jag kommer ivrigt att se vår laserkylningsteknik anpassad av forskare från olika områden för att förbättra prestanda hos kvantsensorer, " sa huvudförfattaren Anupum Pant, en UW doktorand i materialvetenskap och teknik.

Forskare säger att metoden har andra potentiella tillämpningar. Det kan utgöra hjärtat av mycket exakta vetenskapliga instrument, använda förändringar i resonatorns svängningar för att noggrant mäta ett föremåls massa, såsom en enda viruspartikel. Lasrar som kyler fasta komponenter kan också användas för att utveckla kylsystem som förhindrar att nyckelkomponenter i elektroniska system överhettas.