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作者：Valerie C. Coffey

    眾所周知，激光可以應(yīng)用于金屬切割等工業(yè)應(yīng)用，或具有作為防御武器的潛力：它們使人們想起強大的、可見的、灼熱的光束。激光與冷卻似乎是相反的兩個方向。但是多特蒙德工業(yè)大學(xué)和波鴻魯爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)朝著改變這種觀念邁出了第一步，他們使用激光冷卻半導(dǎo)體材料。[1]在該過程中，他們仔細選擇激光束的波長，通過光致發(fā)光上轉(zhuǎn)換，被輻照的材料將它的一些能量讓渡給激光束。激光束中的光子吸收材料中粒子（光子）的一些振動能量，使目標的溫度降低。雖然這種冷卻效應(yīng)已經(jīng)對原子蒸氣和凝聚態(tài)物質(zhì)，例如染料溶液和玻璃，進行了廣泛的測試，但其對另一類凝聚態(tài)物質(zhì)——半導(dǎo)體材料的有效性仍未得到證實。

    在詳細的實驗研究中，Soheyla Eshlaghi和同事們測試了樣品溫度從液氮到室溫下的寬范圍內(nèi)，激光導(dǎo)致的半導(dǎo)體量子阱的光致發(fā)光冷卻是如何變化的。研究中使用的樣品具有厚度從 2.8~39.3nm的未摻雜砷化鎵（GaAs）量子阱，并被31nm厚的砷化鎵鋁（Ga0.35Al0.65As）勢壘分隔開。研究人員使用牛津ITC 502型溫度控制儀和加熱器使樣品溫度從4K到室溫下改變，放置在樣品旁的GaAlAs傳感器監(jiān)測溫度。他們將連續(xù)的鈦寶石激光器的波長調(diào)諧到大約 800nm，強度大約為50W/cm2，直接照射到樣品表面上，這使GaAs量子阱產(chǎn)生不同級別的反斯托克斯光致發(fā)光。

    研究人員將目光集中于11.7nm厚的量子阱上，在溫度T低于80K、熱能量kBT（kB為波爾茲曼常數(shù)）小于7meV的條件下，該量子阱在光致發(fā)光光譜中具有最明顯的激子效應(yīng)。在溫度高于20K的測量中，最高冷卻速率大約為能量△E=2kBT的激光失諧，這種失諧意味著量子阱的激光波長相對它的共振能量向下偏移一個光子能量。

    該實驗還獲得了其他幾種值得注意的結(jié)果。研究人員發(fā)現(xiàn)反斯托克斯光致發(fā)光誘導(dǎo)冷卻結(jié)構(gòu)與溫度有關(guān)，換句話說，一般而言激光的冷卻效率隨樣品溫度的升高而增加，這與其他冷卻系統(tǒng)相似。此外，實驗結(jié)果使計算理想激光波長與溫度的函數(shù)關(guān)系成為可能。最后，共同控制樣品溫度以及仔細選擇激光波長，可以優(yōu)化激光冷卻效率。

    半導(dǎo)體產(chǎn)品的精密性和低成本，對于激光冷卻半導(dǎo)體技術(shù)是一個重要的優(yōu)點。不僅免于振動的半導(dǎo)體冷卻可能成為現(xiàn)實，而且也許某一天激光可以用來冷卻其他激光。

參考文獻：

1. S. Eshlaghi et al., Physical Review B 77, 245317 (2008).