Οι φυσικοί δημιουργούν ένα κβαντικό ψυγείο που ψύχεται με την απουσία φωτός
Για δεκαετίες, οι ατομικοί φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει το φως λέιζερ για να επιβραδύνουν τα άτομα που περιφέρονται σε ένα αέριο, ψύχοντάς τα λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν για να μελετήσουν τις περίεργες κβαντικές ιδιότητές τους. Τώρα, μια ομάδα επιστημόνων κατάφερε να ψύξει με παρόμοιο τρόπο ένα αντικείμενο — αλλά με την απουσία φωτός και όχι την παρουσία του. Η τεχνική, η οποία δεν έχει αποδειχθεί ποτέ στο παρελθόν πειραματικά, θα μπορούσε κάποια στιγμή να χρησιμοποιηθεί για την ψύξη των εξαρτημάτων στη μικροηλεκτρονική.
Σε ένα συνηθισμένο πείραμα ψύξης με λέιζερ, οι φυσικοί εκπέμπουν φως λέιζερ από αντίθετες κατευθύνσεις—πάνω, κάτω, αριστερά, δεξιά, μπροστά, πίσω—σε μια ρουφηξιά αερίου όπως το ρουβίδιο. Συντονίζουν τα λέιζερ με ακρίβεια, έτσι ώστε αν ένα άτομο κινηθεί προς ένα από αυτά, απορροφά ένα φωτόνιο και δέχεται μια απαλή ώθηση πίσω προς το κέντρο. Ρυθμίστε το σωστά και το φως αφαιρεί την κινητική ενέργεια των ατόμων, ψύχοντας το αέριο σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία.
Αλλά ο Pramod Reddy, ένας εφαρμοσμένος φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Michigan στο Ann Arbor, ήθελε να δοκιμάσει την ψύξη χωρίς τις ειδικές ιδιότητες του φωτός λέιζερ. Αυτός και οι συνάδελφοί του ξεκίνησαν με ένα widget κατασκευασμένο από ημιαγώγιμο υλικό που βρίσκεται συνήθως σε οθόνες βίντεο—μια δίοδο εκπομπής φωτός (LED). Ένα LED εκμεταλλεύεται ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο για να μετατρέψει την ηλεκτρική ενέργεια σε φως. Σε γενικές γραμμές, το LED λειτουργεί σαν μια μικρή ράμπα για τα ηλεκτρόνια. Εφαρμόστε μια τάση προς τη σωστή κατεύθυνση και ωθεί τα ηλεκτρόνια πάνω και πάνω από τη ράμπα, όπως τα παιδιά σε skateboard. Καθώς τα ηλεκτρόνια πέφτουν πάνω από τη ράμπα σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, εκπέμπουν φωτόνια.
Κρίσιμο για το πείραμα, το LED δεν εκπέμπει φως όταν η τάση αντιστρέφεται, καθώς τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να περάσουν πάνω από τη ράμπα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στην πραγματικότητα, η αντιστροφή της τάσης καταστέλλει επίσης την υπέρυθρη ακτινοβολία της συσκευής—το ευρύ φάσμα φωτός (συμπεριλαμβανομένης της θερμότητας) που βλέπετε όταν κοιτάτε ένα καυτό αντικείμενο μέσω γυαλιών νυχτερινής όρασης.
Αυτό ουσιαστικά κάνει τη συσκευή πιο κρύα - και σημαίνει ότι το μικρό πράγμα μπορεί να λειτουργήσει σαν ένα μικροσκοπικό ψυγείο, λέει ο Reddy. Το μόνο που χρειάζεται είναι να το βάλεις αρκετά κοντά σε ένα άλλο μικροσκοπικό αντικείμενο, λέει. "Αν πάρετε ένα ζεστό αντικείμενο και ένα κρύο αντικείμενο ... μπορείτε να έχετε μια ακτινοβολία ανταλλαγής θερμότητας", λέει ο Reddy. Για να αποδείξουν ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ένα LED για να ψύξουν, οι επιστήμονες τοποθέτησαν ένα μόλις δεκάδες νανόμετρα - το πλάτος δύο εκατοντάδων ατόμων - μακριά από μια συσκευή μέτρησης θερμότητας που ονομάζεται θερμιδόμετρο. Αυτό ήταν αρκετά κοντά για να αυξήσει τη μεταφορά φωτονίων μεταξύ των δύο αντικειμένων, λόγω μιας διαδικασίας που ονομάζεται κβαντική σήραγγα. Ουσιαστικά, το χάσμα ήταν τόσο μικρό που τα φωτόνια μπορούσαν μερικές φορές να πηδήξουν πάνω του.
Το ψυχρότερο LED απορρόφησε περισσότερα φωτόνια από το θερμιδόμετρο απ' ό,τι του έδωσε, απομακρύνοντας τη θερμότητα από το θερμιδόμετρο και μειώνοντας τη θερμοκρασία του κατά ένα δέκατο χιλιοστό του βαθμού Κελσίου, αναφέρουν ο Reddy και οι συνεργάτες του αυτή την εβδομάδα στο Nature . Αυτή είναι μια μικρή αλλαγή, αλλά δεδομένου του μικροσκοπικού μεγέθους του LED, ισούται με ροή ενέργειας 6 watt ανά τετραγωνικό μέτρο. Για σύγκριση, ο ήλιος παρέχει περίπου 1000 Watt ανά τετραγωνικό μέτρο. Ο Ρέντι και οι συνάδελφοί του πιστεύουν ότι θα μπορούσαν κάποια μέρα να αυξήσουν τη ροή ψύξης σε αυτή τη δύναμη μειώνοντας το μέγεθος του διακένου και απομακρύνοντας τη θερμότητα που συσσωρεύεται στο LED.
Η τεχνική πιθανότατα δεν θα αντικαταστήσει τις παραδοσιακές τεχνικές ψύξης ή δεν θα μπορεί να ψύξει υλικά κάτω από θερμοκρασίες περίπου 60 Κ. Αλλά έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί κάποια μέρα για ψύξη μικροηλεκτρονικών, σύμφωνα με τον Shanhui Fan, θεωρητικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στο Πάλο Άλτο. , Καλιφόρνια, ο οποίος δεν ασχολήθηκε με το έργο. Σε παλαιότερη εργασία, ο Fan χρησιμοποίησε μοντελοποίηση υπολογιστή για να προβλέψει ότι ένα LED θα μπορούσε να έχει ένα σημαντικό αποτέλεσμα ψύξης εάν τοποθετηθεί νανόμετρα από άλλο αντικείμενο. Τώρα, είπε, ο Ρέντι και η ομάδα του έχουν πραγματοποιήσει αυτή την ιδέα πειραματικά.
