Nedkøling af halvleder med laserlys – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2012 > Nedkøling af halvleder...

22. januar 2012

Nedkøling af halvleder med laserlys

Forskere på Niels Bohr Institutet har kombineret to verdener – den atomare kvantefysik og den makroskopiske nanofysik, og det har ført til opdagelsen af en ny metode til laserkøling af halvledende membraner. Halvledere udgør den vigtigste bestanddel i solceller, lysdioder og megen anden elektronik, og effektiv køling af komponenter er vigtig til fremtidens kvantecomputer og ultrafølsomme sensorer. Den nye kølemetode virker ganske paradoksalt ved at opvarme materialet! Ved hjælp af laserlys har forskerne nedkølet membranens svingninger til minus 269 grader C. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Nature Physics.

Koji Usami arbejder i de kvanteoptiske laboratorier på Niels Bohr Institutet. Foto: Ola J. Joensen

"Det er lykkedes med eksperimenter at opnå en ny effektiv køling af et fast materiale ved hjælp af laserlys. Vi har fremstillet en halvleder-membran med en tykkelse på 160 nano-meter og en hidtil uset overflade-størrelse på 1 gange 1 millimeter. I eksperimenterne lod vi membranen vekselvirke med laserlyset på en sådan måde, at dens mekaniske bevægelser påvirkede det lys, der ramte den. Vi undersøgte omhyggeligt fysikken og opdagede, at et resultat af det komplekse og fascinerende samspil mellem membranens bevægelse, halvlederens egenskaber og de optiske resonanser var, at en bestemt svingningstilstand af membranen blev afkølet fra stuetemperatur til minus 269 grader C", fortæller Koji Usami, der er forskningslektor i Quantop på Niels Bohr Institutet.

Fra gas til faste stoffer

Laserkøling af atomer har i flere år været praktiseret med eksperimenter i forskningsgruppen Quantops kvanteoptiske laboratorier på Niels Bohr Institutet. Her har forskerne ved hjælp af ekstremt fokuseret laserlys nedkølet gasskyer af cæsium-atomer til tæt på det absolutte nulpunkt, minus 273 grader C og skabt sammenfiltring (entanglement) mellem to atomare systemer. Atomernes spin bliver sammenfiltrede, og de to gasskyer er i en form for sammenhæng, som beror på kvantemekanikken. Med de kvanteoptiske teknikker har de målt de atomare spins kvantesvingninger.

Eksperimenterne er udført her i de kvanteoptiske laboratorier på Niels Bohr Institutet. Med en skov af spejle styres laserlyset, som rammer den halvledende nanomembran. 

"Gennem længere tid har vi haft ønske om at udforske, hvor langt man kan udvide grænserne for kvantemekanikken – gælder den også for makroskopiske materialer? Det ville betyde helt nye muligheder for det, man kalder opto-mekanik, som er samspillet mellem optisk stråling, dvs. lys og en mekanisk bevægelse", fortæller professor Eugene Polzik, leder af grundforskningscentret Quantop på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Men man skulle finde det rigtige materiale at arbejde med.

Heldigt sammentræf

I 2009 holdt Peter Lodahl, (som i dag er professor og leder af forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet) et foredrag på Niels Bohr Institutet, hvor han bl.a. viste en særlig fotonisk krystal-membran, der var lavet af det halvledende materiale, gallium arsenid (GaAs). Eugene Polzik tænkte straks, at denne nanomembran havde mange fordelagtige elektroniske og optiske egenskaber, og han foreslog Peter Lodahls gruppe at bruge den slags membran til eksperimenter med opto-mekanik. Men det krævede helt særlige dimensioner, og efter et års anstrengelser lykkedes det at lave sådan en.

Koji Usami viser holderen med halvleder nanomembranen. Holderen måler omkring én cm på hvert led, mens selve nano-membranen har en overflade-størrelse på 1 gange 1 millimeter og en tykkelse på 160 nanometer. 

"Det lykkedes os at fremstille en nanomembran, som kun er 160 nanometer i tykkelse og med et areal på over 1 kvadrat-millimeter. Det er en enorm størrelse, som ingen troede, det var muligt at fremstille", fortæller forskningsadjunkt Søren Stobbe, der ligeledes nu er ansat på Niels Bohr Institutet.

Basis for ny udforskning

Nu var der skabt basis for, at man kunne forene kvantemekanik med makroskopiske materialer for at udforske de opto-mekaniske effekter.

Koji Usami forklarer, at man nu i eksperimenterne lyste med laserlys på nano-membranen. Lyset rammer membranen og udløser frie elektroner. De henfalder og opvarmer derved membranen, og det giver en termiske udvidelse i form af et udsving. Det er en ny opto-mekanisk mekanisme, som er det centrale i den nye opdagelse. Det paradoksale er, at selv om membranen som helhed bliver varmere, bliver membranen nedkølet ved en bestemt svingning, og nedkølingen kan styres med laserlyset. Så det er køling ved opvarmning! Det lykkedes at afkøle membranens svingning til minus 269 grader C.

Selve eksperimentet blev udført i dette vacuumkammer. Når laserlyset rammer membranen, bliver noget lys reflekteret og noget bliver absorberet og fører til opvarmning af membranen. Det reflekterede lys kastes tilbage igen via et spejl i eksperimentet, så lyset flyver frem og tilbage i dette mellemrum og danner optiske svingninger. Ved at ændre på afstanden mellem membranen og spejlet kan man styre den optiske svingning og dermed også temperaturen af membranens svingninger. 

"Perspektiverne med opto-mekanik er f.eks. at bane vejen for nedkøling af komponenter i kvantecomputere. Effektiv køling af mekaniske svingninger af halvleder nano-membraner ved hjælp af lys kan også føre til udvikling af nye sensorer til elektrisk strøm og mekaniske kræfter. Sådan køling vil i nogle tilfælde kunne erstatte dyr kryogen køling, der anvendes i dag og kan resultere i ekstremt følsomme sensorer, der kun er begrænset af kvantefluktuationer ", siger professor Eugene Polzik.

Artikel i Nature Physics >>