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物理學家創建量子制冷機

冰河冷媒     2019-03-21
幾十年來,原子物理學家利用激光減緩在氣體中“四處亂跳”的原子的速度,并將其冷卻至略高于絕對零度,以研究它們怪異的量子性質。如今,一個研究團隊利用類似方法,成功地將物體冷卻。只不過,這次沒有利用激光。這種此前從未在試驗中得以展示的技術,或許有一天可被用于冷卻微電子組件。
 
普通的激光冷卻試驗中,物理學家將來自相反方向的激光發射到銣等氣體上。他們精確地調整激光,以保證如果原子朝著其中一束激光移動,會吸收光子并且獲得朝向中心的輕微后推力。激光會漸漸耗盡原子的動能,從而將氣體冷卻至非常低的溫度。
 
不過,美國密歇根大學安娜堡分校應用物理學家Pramod Reddy想嘗試在不利用激光特殊性質的情況下冷卻物體。他和同事從一個由通常在熒光屏中出現的半導體材料——發光二極管(LED)制成的小裝置入手。LED利用量子機械效應,將電能轉化成光。粗略地說,LED充當了電子的小“坡道”。在正確的方向施加電壓,它會推動電子沿著“坡道”向上并最終翻越它,就像玩滑板的孩子。當電子從“坡道”上滑下并進入較低能態時,便會釋放光子。
 
對于這項試驗來說,關鍵在于電壓被逆轉時LED不會釋放光線,因為電子無法在相反方向穿過“坡道”。事實上,逆轉電壓還抑制了該設備的紅外輻射——透過夜視鏡觀看熱物體時見到的廣譜光線(包括熱量)。
 
這種方式有效地讓設備變得更冷。同時,Reddy表示,這意味著上述小裝置能像微型冰箱一樣運行,不過必須將其放到離另一個微小物體足夠近的地方。“如果你拿著一個熱物體和一個冷物體,就能獲得熱量的輻射交換。”Reddy說。為證實他們能利用LED冷卻,科學家將一個物體放到距另一個被稱為量熱器的熱量測量裝置僅幾十納米(相當于幾百個原子的寬度)的地方。由于量子隧道效應的存在,這個距離近到足以增加兩個物體之間的光子轉移。這一孔隙是如此之小,以至于光子有時能跳過去。
較冷的LED吸收的來自量熱器的光子比它還回去的多,依靠毛細作用將熱量從量熱器帶走并使其溫度降低1/100攝氏度。Reddy和同事在日前出版的《自然》雜志上報告了這一成果。這是很小的變化,但LED的尺寸也很小,它相當于每平方米6瓦特的能量通量。相比之下,太陽每平方米提供約1000瓦特能量通量。Reddy和同事認為,他們或許有一天能通過減少孔隙大小并且吸走LED內累積的熱量,將冷卻通量提升至這一強度。
 
該技術可能不會代替傳統制冷技術,或者將材料冷卻至約60開爾文以下。但未參與最新研究的斯坦福大學理論物理學家Shanhui Fan認為,它或許有潛力被用于冷卻微電子元件。在此前工作中,Fan利用計算機模型預測,如果被放置在離另一個物體若干納米遠的地方,LED可產生相當大的冷卻效應。如今,他表示,Reddy及其團隊已在試驗中實現了這一想法。
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