何十年もの間、原子物理学者は、レーザー光を使用してガス中の原子の動きを遅くし、原子を絶対零度のすぐ上まで冷却して、奇妙な量子特性を研究してきました。現在、科学者のチームは、物体を同様に冷却することに成功しましたが、光の存在ではなく光の不在でした.これまで実験的に示されたことがなかったこの技術は、いつかマイクロエレクトロニクスのコンポーネントを冷却するために使用されるかもしれません.
通常のレーザー冷却実験では、物理学者は、ルビジウムなどのガスのパフに、レーザー光を上下左右前後の反対方向から照射します。彼らはレーザーを正確に調整しているので、原子がレーザーの1つに向かって移動すると、光子を吸収して中心に向かって穏やかに押し戻されます.適切に設定すると、光が原子の運動エネルギーを奪い、ガスを非常に低い温度に冷却します。
しかし、ミシガン大学アナーバー校の応用物理学者である Pramod Reddy は、レーザー光の特殊な特性を使わずに冷却を試みたいと考えていました。彼と同僚は、ビデオ画面で一般的に見られる半導体材料で作られたウィジェット (発光ダイオード (LED)) から始めました。 LED は量子力学的効果を利用して、電気エネルギーを光に変換します。大まかに言えば、LED は電子の小さなランプのように機能します。正しい方向に電圧を加えると、スケートボードに乗っている子供のように、電子がランプを押し上げられます。電子がランプを越えてより低いエネルギー状態になると、電子は光子を放出します。
実験にとって重要なことは、電圧が逆になったときに LED が光を発しないことです。これは、電子が逆方向にランプを越えることができないためです。実際、電圧を逆にすると、デバイスの赤外線放射も抑制されます。これは、暗視ゴーグルを通して高温の物体を見るときに見える広いスペクトルの光 (熱を含む) です。
これにより、デバイスは効果的に冷たくなり、小さなものが極小の冷蔵庫のように機能することを意味します、と Reddy は言います。必要なのは、それを別の小さな物体に十分近づけることだけだ、と彼は言います。 「熱い物体と冷たい物体を取り出せば…放射熱交換が可能です」と Reddy 氏は言います。 LED を使用して冷却できることを証明するために、科学者は熱量計と呼ばれる熱測定装置からわずか数十ナノメートル (原子数百個分の幅) 離して配置しました。これは、量子トンネリングと呼ばれるプロセスにより、2 つのオブジェクト間の光子の転送を増加させるのに十分な距離でした。本質的に、ギャップは非常に小さいため、光子が時々飛び越えることができました.
温度の低い LED は、熱量計から返された光子よりも多くの光子を吸収し、熱量計から熱を逃がし、その温度を摂氏 10,000 分の 1 低下させた、と Reddy と同僚は今週 Nature .これは小さな変化ですが、LED のサイズが小さいことを考えると、1 平方メートルあたり 6 ワットのエネルギー束に相当します。比較のために、太陽は 1 平方メートルあたり約 1000 ワットを供給します。 Reddy と彼の同僚は、ギャップのサイズを縮小し、LED に蓄積された熱を吸収することで、冷却フラックスをその強度まで高めることができると考えています。
スタンフォード大学パロアルト校の理論物理学者 Shanhui Fan 氏によると、この技術はおそらく従来の冷凍技術に取って代わるものではなく、材料を約 60 K の温度以下に冷却することもできません。 、カリフォルニア、仕事に関与していませんでした。以前の研究で、Fan はコンピューター モデリングを使用して、LED が別の物体から数ナノメートル離れた場所に配置された場合、かなりの冷却効果があると予測しました。現在、レディと彼のチームはそのアイデアを実験的に実現した.
