Ученые ищут способ охлаждать полупроводники — материалы, которые широко применяют в электронике, — без громоздких систем вроде кулеров и вентиляторов. Такие устройства не только занимают много места, но и создают вибрации, а это мешает работе высокоточных приборов.
Исследователи из Санкт‑Петербургского государственного университета предложили использовать особый вид свечения — антистоксову фотолюминесценцию. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review B.
Суть в том, что материал тратит тепло собственных атомов на испускание света: энергия вылетающего фотона оказывается больше, чем у света, который его возбудил. Недостающую энергию система берет из тепловых колебаний кристаллической решетки — и за счет этого охлаждается.
Как сообщила пресс-служба РНФ порталу Наука Mail, чтобы изучить эффект, ученые описали наноструктуру в виде «сэндвича» из трех слоев. В центре — очень тонкая пленка арсенида галлия (всего 14 нанометров), сверху и снизу — слои из галлия, мышьяка и алюминия. Такую структуру можно рассматривать как квантовую яму: для электронов (отрицательно заряженных квазичастиц) и дырок (положительно заряженных квазичастиц) центральный слой оказывается своеобразной «ловушкой», в которой их движение в одном направлении ограничено нанометровой толщиной материала.
Нанометровое ограничение движения электронов и дырок изменяет их энергетические состояния и позволяет сформировать хорошо различимые экситонные резонансы. Экситон — это связанное состояние электрона и дырки, которое играет ключевую роль во взаимодействии материала со светом. В нашей структуре особенно важны два типа экситонов — с тяжелой и легкой дыркой. Из-за различий в свойствах этих дырок соответствующие экситонные состояния имеют разные энергии.
При сверхнизких температурах — порядка −269°C — ученые подействовали на материал лазерным лучом, который возбудил только экситоны с тяжелой дыркой. При этом авторы зарегистрировали ответное свечение экситонов с легкими дырками, которые требуют для появления больше энергии. Наблюдения показали: чтобы получить недостающую энергию для излучения, материал тратит тепло колебаний собственных атомов, тем самым охлаждаясь.
Образно говоря, структура создает для экситона несколько близко расположенных «ступенек» энергии. Возбуждающий свет помещает систему на нижнюю ступеньку, а тепловые колебания кристаллической решетки помогают ей подняться на более высокую. После этого система испускает более энергичный фотон, который уносит полученную от кристаллической решетки энергию.
Хотя пока исследования проведены при сверхнизких температурах и носят фундаментальный характер, они открывают путь к новым технологиям. В будущем такой метод может помочь отводить лишнее тепло с помощью света — это пригодится для компактных лазеров, фотонных чипов, чувствительных датчиков и других устройств, где важно не перегреваться и тратить минимум энергии.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что ученые нашли способ обойти 160-летний закон физики и создали программируемое тепло.