Para o público em geral, lasers aquecem objetos. E geralmente, isso seria correto.

Mas os lasers também prometem fazer exatamente o oposto - resfriar os materiais. Lasers que podem resfriar materiais podem revolucionar campos que vão da bioimagem à comunicação quântica.

Em 2015, Pesquisadores da Universidade de Washington anunciaram que podem usar um laser para resfriar água e outros líquidos abaixo da temperatura ambiente. Agora, essa mesma equipe usou uma abordagem semelhante para refrigerar algo bem diferente:um semicondutor sólido. Como mostra a equipe em um artigo publicado em 23 de junho em Nature Communications , eles poderiam usar um laser infravermelho para resfriar o semicondutor sólido em pelo menos 20 graus C, ou 36 F, abaixo da temperatura ambiente.

O dispositivo é um cantilever - semelhante a um trampolim. Como um trampolim depois que um nadador pula na água, o cantilever pode vibrar em uma frequência específica. Mas este cantilever não precisa de um mergulhador para vibrar. Ele pode oscilar em resposta à energia térmica, ou energia térmica, à temperatura ambiente. Dispositivos como esses podem ser sensores optomecânicos ideais, onde suas vibrações podem ser detectadas por um laser. Mas esse laser também aquece o cantilever, o que amortece seu desempenho.

"Historicamente, o aquecimento a laser de dispositivos em nanoescala foi um grande problema que foi varrido para debaixo do tapete, "disse o autor sênior Peter Pauzauskie, professor de ciência e engenharia de materiais da UW e cientista sênior do Pacific Northwest National Laboratory. "Estamos usando luz infravermelha para resfriar o ressonador, que reduz a interferência ou 'ruído' no sistema. Este método de refrigeração de estado sólido pode melhorar significativamente a sensibilidade dos ressonadores optomecânicos, ampliam suas aplicações em eletrônicos de consumo, lasers e instrumentos científicos, e pavimenta o caminho para novos aplicativos, como circuitos fotônicos. "

A equipe é a primeira a demonstrar "refrigeração a laser de estado sólido de sensores em nanoescala, "acrescentou Pauzauskie, que também é membro do corpo docente do UW Molecular Engineering &Sciences Institute e do UW Institute for Nano-Engineering Systems.

Os resultados têm um amplo potencial de aplicações devido ao melhor desempenho do ressonador e ao método usado para resfriá-lo. As vibrações de ressonadores semicondutores os tornaram úteis como sensores mecânicos para detectar aceleração, massa, temperatura e outras propriedades em uma variedade de eletrônicos, como acelerômetros para detectar a direção que um smartphone está apontando. A redução da interferência pode melhorar o desempenho desses sensores. Além disso, usar um laser para resfriar o ressonador é uma abordagem muito mais direcionada para melhorar o desempenho do sensor em comparação com tentar resfriar um sensor inteiro.

Em sua configuração experimental, uma pequena fita, ou nanoribbon, de sulfeto de cádmio estendido de um bloco de silício - e naturalmente sofreria oscilação térmica à temperatura ambiente.

No final deste trampolim, a equipe colocou um minúsculo cristal de cerâmica contendo um tipo específico de impureza, íons de itérbio. Quando a equipe focalizou um feixe de laser infravermelho no cristal, as impurezas absorveram uma pequena quantidade de energia do cristal, fazendo com que ele brilhe em uma luz com comprimento de onda menor do que a cor do laser que o excita. Este efeito de "brilho do blueshift" resfriou o cristal de cerâmica e a nanofita semicondutora a que estava ligado.

"Esses cristais foram cuidadosamente sintetizados com uma concentração específica de itérbio para maximizar a eficiência de resfriamento, "disse o co-autor Xiaojing Xia, um estudante de doutorado da UW em engenharia molecular.

Os pesquisadores usaram dois métodos para medir o quanto o laser resfriou o semicondutor. Primeiro, eles observaram mudanças na frequência de oscilação da nanofita.

"A nanofita se torna mais rígida e quebradiça após o resfriamento - mais resistente à flexão e compressão. Como resultado, ele oscila em uma frequência mais alta, que verificou que o laser resfriou o ressonador, "disse Pauzauskie.

A equipe também observou que a luz emitida pelo cristal mudou em média para comprimentos de onda mais longos à medida que aumentava a potência do laser, que também indicava resfriamento.

Usando esses dois métodos, os pesquisadores calcularam que a temperatura do ressonador caiu até 20 graus C abaixo da temperatura ambiente. O efeito de refrigeração levou menos de 1 milissegundo e durou enquanto o laser de excitação estava ligado.

"Nos próximos anos, Procurarei ansiosamente ver nossa tecnologia de resfriamento a laser adaptada por cientistas de vários campos para aprimorar o desempenho dos sensores quânticos, "disse o autor principal Anupum Pant, um estudante de doutorado da UW em ciência e engenharia de materiais.

Os pesquisadores dizem que o método tem outras aplicações potenciais. Pode formar o coração de instrumentos científicos altamente precisos, usando mudanças nas oscilações do ressonador para medir com precisão a massa de um objeto, como uma única partícula de vírus. Lasers que resfriam componentes sólidos também podem ser usados ​​para desenvolver sistemas de resfriamento que evitam o superaquecimento de componentes-chave em sistemas eletrônicos.