Atome mit Laserlicht zu kühlen, das lernen Physikstudenten heute in Praktikumsversuchen. Doch denselben Effekt bei einem Stückchen Halbleiter zu erzielen, das ist eine Herausforderung, an der sich Experten viele Jahre die Zähne ausbissen. Dem aus China stammenden Forscher Qihua Xiong von der Nanyang Technological University in Singapur kam jetzt der Zufall zur Hilfe.
"Actually this came to us as a surprise. We were actually doing Raman-Scattering of those nanobelt materials, we grow in the lab."
Qihua Xiong hat nach seiner Promotion drei Jahre als Postdoc in Harvard geforscht. Ein millionenschweres Stipendium lockte ihn vor vier Jahren nach Singapur. Bei der optischen Charakterisierung mikrometerfeiner Halbleiterbändchen aus Cadmium-Sulfid, die er in seinem Labor hergestellt hat, machte er kürzlich eine überraschende Entdeckung. Wenn er die kristallinen Nanostrukturen unter dem Mikroskop mit grünem Laserlicht bestrahlt, dann emittieren sie ihrerseits Lichtteilchen etwas höherer Frequenz und Energie.
"Da dachten wir uns: Moment mal. Wie kann das sein, dass ein Material bei Beleuchtung mit energiearmem Licht energiereichere Strahlung aussendet? Schließlich muss die Energie erhalten bleiben. Als wir genauer hinschauten, stellten wir fest, dass die Temperatur des beleuchteten Halbleiterbändchens allmählich sank. Die zusätzliche Energie des von ihm ausgesandten Lichtes, kam dadurch zustande, dass die Gitterschwingungen im Kristall gedämpft und ihm dadurch Wärme entzogen wurde."
Der physikalische Hintergrund ist kompliziert. Es geht um angeregte Elektronen und Gitterschwingungen im Kristall. Bei den gewählten Bedingungen kommt es zu einem Energietransfer zwischen diesen beiden Anregungszuständen des Kristalls. Die durch Licht stimulierten Elektronen saugen sozusagen Energie aus dem Kristallgitter ab und emittieren diese kurz darauf wieder in Form von Licht. Qihua:
"The practical result is: the temperature of the material actually goes down."
Die Ergebnis ist, dass die Temperatur des Materials sinkt, erklärt Qihua Xiong. Und zwar um bis zu 40 Grad, wenn die optische Kühlung bei Raumtemperatur beginnt. Bei Starttemperaturen von minus 173 Grad Celsius konnten die Forscher die Nanostrukturen innerhalb von 20 Minuten immerhin weitere 15 Grad herunter kühlen. Besonders effizient ist die licht-induzierte Frostkur für Halbleiter freilich nicht. Bestenfalls ein paar Prozent der Laserleistung werden tatsächlich in Kälte verwandelt.
"Ihren Kühlschrank oder ihre Klimaanlage werden wir mit unserer Methode niemals ersetzen. Aber es gibt andere interessante Anwendungen. Ein optisches Kühlsystem lässt sich sehr kompakt und robust bauen. Es braucht keine Mechanik und kein Kühlmittel. Außerdem kann man es problemlos in elektronische oder optische Bauelemente integrieren."
Zum Beispiel in die Bildsensoren der Infrarotkameras von Satelliten. Um scharfe Bilder zu liefern, müssen die ständig gekühlt werden. Wenn es künftig reichen würde, einfach einen Diodenlaser einzubauen, dessen Licht auf Knopfdruck für Kälte sorgt, wäre vieles einfacher. Eine andere Anwendung sind leistungsstarke Laser, die sich selbst kühlen.
"Wenn man geeignete Materialien findet, wäre es im Prinzip möglich, Hochenergielaser zu bauen, die ohne aufwändigen Kühlwasser- oder Kältemittelkreislauf auskommen. So etwas wäre natürlich sehr spannend, nicht zuletzt auch für militärische Anwendungen."
Qihua Xiong hofft, dass die Arbeit seines Teams nun auch andere Forscher hellhörig macht, damit die Entwicklung auf dem Gebiet der Laserkühlung von Festkörpern möglichst schnell voran schreitet.
"Actually this came to us as a surprise. We were actually doing Raman-Scattering of those nanobelt materials, we grow in the lab."
Qihua Xiong hat nach seiner Promotion drei Jahre als Postdoc in Harvard geforscht. Ein millionenschweres Stipendium lockte ihn vor vier Jahren nach Singapur. Bei der optischen Charakterisierung mikrometerfeiner Halbleiterbändchen aus Cadmium-Sulfid, die er in seinem Labor hergestellt hat, machte er kürzlich eine überraschende Entdeckung. Wenn er die kristallinen Nanostrukturen unter dem Mikroskop mit grünem Laserlicht bestrahlt, dann emittieren sie ihrerseits Lichtteilchen etwas höherer Frequenz und Energie.
"Da dachten wir uns: Moment mal. Wie kann das sein, dass ein Material bei Beleuchtung mit energiearmem Licht energiereichere Strahlung aussendet? Schließlich muss die Energie erhalten bleiben. Als wir genauer hinschauten, stellten wir fest, dass die Temperatur des beleuchteten Halbleiterbändchens allmählich sank. Die zusätzliche Energie des von ihm ausgesandten Lichtes, kam dadurch zustande, dass die Gitterschwingungen im Kristall gedämpft und ihm dadurch Wärme entzogen wurde."
Der physikalische Hintergrund ist kompliziert. Es geht um angeregte Elektronen und Gitterschwingungen im Kristall. Bei den gewählten Bedingungen kommt es zu einem Energietransfer zwischen diesen beiden Anregungszuständen des Kristalls. Die durch Licht stimulierten Elektronen saugen sozusagen Energie aus dem Kristallgitter ab und emittieren diese kurz darauf wieder in Form von Licht. Qihua:
"The practical result is: the temperature of the material actually goes down."
Die Ergebnis ist, dass die Temperatur des Materials sinkt, erklärt Qihua Xiong. Und zwar um bis zu 40 Grad, wenn die optische Kühlung bei Raumtemperatur beginnt. Bei Starttemperaturen von minus 173 Grad Celsius konnten die Forscher die Nanostrukturen innerhalb von 20 Minuten immerhin weitere 15 Grad herunter kühlen. Besonders effizient ist die licht-induzierte Frostkur für Halbleiter freilich nicht. Bestenfalls ein paar Prozent der Laserleistung werden tatsächlich in Kälte verwandelt.
"Ihren Kühlschrank oder ihre Klimaanlage werden wir mit unserer Methode niemals ersetzen. Aber es gibt andere interessante Anwendungen. Ein optisches Kühlsystem lässt sich sehr kompakt und robust bauen. Es braucht keine Mechanik und kein Kühlmittel. Außerdem kann man es problemlos in elektronische oder optische Bauelemente integrieren."
Zum Beispiel in die Bildsensoren der Infrarotkameras von Satelliten. Um scharfe Bilder zu liefern, müssen die ständig gekühlt werden. Wenn es künftig reichen würde, einfach einen Diodenlaser einzubauen, dessen Licht auf Knopfdruck für Kälte sorgt, wäre vieles einfacher. Eine andere Anwendung sind leistungsstarke Laser, die sich selbst kühlen.
"Wenn man geeignete Materialien findet, wäre es im Prinzip möglich, Hochenergielaser zu bauen, die ohne aufwändigen Kühlwasser- oder Kältemittelkreislauf auskommen. So etwas wäre natürlich sehr spannend, nicht zuletzt auch für militärische Anwendungen."
Qihua Xiong hofft, dass die Arbeit seines Teams nun auch andere Forscher hellhörig macht, damit die Entwicklung auf dem Gebiet der Laserkühlung von Festkörpern möglichst schnell voran schreitet.