Ученые нашли способ охлаждать полупроводники светом: экситоны «поднимаются по ступенькам»

Перегрев — вечная головная боль современной электроники. Чем мощнее чип, лазер или оптический сенсор, тем сложнее отводить лишнее тепло. Вентиляторы и кулеры занимают место и создают вибрации, а для высокоточных оптических систем это особенно неудобно. Физики Санкт-Петербургского государственного университета предложили принципиально другой путь: заставить материал охлаждаться за счет собственного свечения. Исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда, опубликовано в журнале Physical Review B.

В центре эксперимента оказалась наноструктура из трех слоев. Ее центральная часть — пленка арсенида галлия толщиной всего 14 нанометров, то есть примерно в 5000 раз тоньше человеческого волоса. Сверху и снизу ее окружали слои соединения галлия, мышьяка и алюминия. Такая конструкция работает как квантовая яма: она ограничивает движение электронов и «дырок» — квазичастиц, возникающих на месте отсутствующих электронов.

Именно здесь появляются экситоны — связанные состояния электрона и дырки. В эксперименте ученые работали с двумя их разновидностями: связанными с тяжелыми и легкими дырками. У этих состояний разная энергия, и разница между ними оказалась ключом к необычному охлаждению.

Сначала лазер, потом — энергетический прыжок

Эксперимент проводили при температуре −269°C. Лазер возбуждал экситоны с тяжелыми дырками, а затем исследователи фиксировали свечение экситонов с легкими дырками. Но для такого излучения энергии было недостаточно.

Недостающую энергию система брала у колебаний кристаллической решетки — то есть у теплового движения атомов. В результате испускаемый фотон уносил больше энергии, чем принес возбуждающий свет. Это явление называют антистоксовой фотолюминесценцией. Проще говоря, материал превращал часть собственного тепла в свет и тем самым охлаждался.

Авторы сравнивают происходящее с несколькими близко расположенными ступенями: лазер помещает экситон на нижнюю, тепловые колебания помогают ему подняться выше, а затем более энергичный фотон уносит полученную энергию наружу.

От экзотической физики — к лазерам и фотонным чипам

Пока речь идет не о готовом «холодильнике для процессора», а о фундаментальном результате. Эксперимент выполнен при сверхнизкой температуре, поэтому до массового применения технологии еще далеко. Однако ученые получили важную подсказку: они показали, как именно могут взаимодействовать разные экситонные состояния и колебания кристаллической решетки в одной наноструктуре.

В перспективе такой подход может пригодиться для создания компактных лазеров, фотонных чипов и чувствительных оптических сенсоров, где обычные системы охлаждения слишком громоздки, энергозатратны или создают нежелательные вибрации

Таким образом, у физиков появился еще один способ бороться с перегревом — не усиливать вентилятор, а аккуратно «подсветить» нужные квантовые переходы. Правда, пока для этого полупроводнику приходится отправляться в почти космический холод.

Из смежных исследований

Экситоны уже не первый раз оказываются в центре технологических экспериментов. Как ранее рассказывал Hi-Tech Mail, ученым удалось получить первое изображение электрона внутри экситона — квазичастицы, которая возникает, когда свет «выталкивает» электрон на более высокий энергетический уровень, оставляя после себя положительно заряженную «дырку».

А сам принцип лазерного охлаждения не ограничивается полупроводниками: ранее исследователи показывали, что при определенных условиях лазер может охлаждать даже жидкость, если испускаемые фотоны забирают энергию у тепловых колебаний вещества. Материал Hi-Tech Mail о лазерном охлаждении жидкости — здесь.