Cu ajutorul fizicii cuantice şi al nano fizicii cercetătorii Institutului Niels Bohr au descoperit o nouă metodă de răcire a membranelor semiconductorilor, cu lumină laser. În mod paradoxal, noua tehnică de răcire se face prin încălzirea materialului. Cu ajutorul laserului, cercetătorii au răcit fluctuațiile membranelor semiconductorilor până la -269 grade Celsius.
Semiconductorii sunt componente vitale ale multor electronice, printre care celulele solare sau tehnologiile LED, răcirea eficientă a acestora fiind extrem de importantă pentru dezvoltarea noilor tehnologii, precum calculatoarele cuantice.
Răcirea atomilor cu ajutorul laserului este experimentată de mai mulţi ani în laboratoarele de optică cuantică ale Institutului Niels Bohr, cercetătorii răcind gazele atomilor de cesiu până aproape de zero absolut, la -273 grade Celsius.
Astfel, oamenii de știință s-au gândit că limitele mecanicii cuantice ar putea fi extinse şi asupra materialelor macroscopice, însă găsirea unui material care să se preteze la aşa ceva a fost dificilă.
Norocul le-a surâs cercetătorilor, în 2009 prof. Peter Lodahl creând o membrană de cristal fotonic, creată dintr-un material semiconductor, arseniură de galiu (GaAs).
Profesorul Eugene Polzik, şeful Centrului de Excelenţă Quantop, din cadrul Institutului Niels Bohr, s-a gândit că materialul descoperit în 2009 de prof. Peter Lodahl s-ar preta perfect la experimentele opto-mecanice, însă pentru aceasta era necesară crearea unei nanomembrane de dimensiuni specifice. După încă un an, s-a reuşit în premieră crearea unei nanomembrane cu grosime de 160 nanometri şi cu o suprafaţă de 1 mm2.
Pentru realizarea experimentului, savanţii au introdus nanomembrana într-o carcasă vidată. În momentul în care lumina laser lovea membrana semiconductoare, o parte a acestei lumini era reflectată şi apoi re-reflectată de o oglindă aşezată astfel încât lumina să fie reflectată înainte şi înapoi în acest spaţiu, formând un rezonator optic. O parte a luminii era absorbită de membrană, eliberând electroni. Descompunerea electronilor încălzea membrana, ducând astfel la expansiunea sa termică. În acest mod, distanţa dintre membrană şi oglindă se schimba constant sub forma unei fluctuaţii.
Unul dintre cercetători, Koji Usami, explică: „modificarea distanţei dintre oglindă şi membrană conduce la o interacţiune dintre mişcarea membranei, proprietăţile semiconductorului şi rezonanţele optice, putând controla sistemul pentru răcirea temperaturii fluctuaţiilor membranei. Acesta reprezintă un nou mecanism opto-mecanic, care este cheia noii descoperiri. Paradoxul constă în faptul că deşi membrana ca întreg se încălzeşte puţin, la o anumită oscilaţie este răcită, această răcire putând fi controlată cu lumina laser. Astfel, este o răcire prin încălzire! Am reuşit să răcim fluctuaţiile membranei până la -269 grade Celsius.\”
Potrivit prof. Polzik, „potenţialul opto-mecanicii ar putea pava calea răcirii componentelor computerelor cuantice, iar răcirea eficientă a fluctuaţiilor mecanice ale nanomembranelor semiconductoare cu ajutorul luminii ar putea duce la dezvoltarea de noi senzori… O astfel de răcire ar putea în unele cazuri înlocui costisitoare răcire criogenică, folosită în prezent şi ar putea rezulta în dezvoltarea de senzori ultra-sensibili, care să fie limitaţi doar de fluctuaţiile cuantice.”
Sursa
