Ученые из Университета ИТМО разработали инновационную методику, позволяющую достичь сверхнизких температур любой поверхности с использованием лазерного излучения и специальных наночастиц. Это достижение открывает путь к увеличению долговечности солнечных батарей и созданию эффективных систем охлаждения для нанолазеров, как сообщается в публикации журнала Nanoscale.
Перспектива самоохлаждающихся устройств
Лабораторные разработки Университета ИТМО включают создание микро- и нанолазеров на основе перовскитов. Внедрение технологии оптического охлаждения создает предпосылки для реализации давней научной идеи – «самоохлаждающихся» лазеров, способных работать стабильнее и эффективнее.
Перовскиты: уникальные свойства и предшествующие разработки
Долгие исследования ведутся с перовскитами – полупроводниковыми материалами, обладающими необычной кристаллической структурой и выдающимися оптоэлектронными характеристиками, подобными одноименному природному минералу. Недавно этот материал позволил создать быструю и экономичную технологию “печати” наноразмерных источников лазерного излучения, интегрируемых в электронные микросхемы.
Преодоление проблемы перегрева
Несмотря на преимущества, ключевой задачей было решение проблемы термической нагрузки от таких излучателей внутри миниатюрных электронных устройств. Исследователи успешно использовали потенциал света и самого материала перовскита, применив принципы из экстремальной физики низких температур.
Нанохолодильники: принцип действия
Ключевой прорыв базируется на феномене лазерного охлаждения. Метод предполагает, что атомы материала, поглощая лазерные фотоны определенной настройки, переизлучают часть фотонов с более высокой энергией. Для этого требуется дополнительная энергия, которая извлекается из тепловых колебаний самих атомов, приводя к их охлаждению.
Ученые создали уникальные сферические наночастицы перовскита размером 530 нанометров. Их форма и оптические свойства тщательно спроектированы так, чтобы максимум лазерной энергии направлялся именно на охлаждение окружающего пространства, а не на нагрев частиц. Благодаря этому температура эффективно снижается более чем на 100°C при воздействии даже слабыми импульсами инфракрасного лазера, достигая пика производительности за доли секунды.
Практическое применение и потенциал
Эти наночастицы станут критическим звеном для интеграции перспективных нанолазеров в новейшую микроэлектронику и системы световых компьютеров.
Умные окна и будущие горизонты
Исследовательская группа также работает над решением противоположной задачи – создания наночастиц, способных быстро нагревать, а не охлаждать пространство. Подобные «нанопечи» и «нанохолодильники» потенциально адаптируются к разным видам светового излучения и могут быть интегрированы, например, в оконные стекла. Такие умные окна будут автоматически понижать температуру в помещении летом и обогревать его в зимнее время.
Изображение: Схема оптического охлаждения наночастиц на базе перовскита.
Источник: scientificrussia.ru
