新加坡科學家首度利用雷射脈衝，讓室溫下的硫化鎘(cadmium sulphide, CdS)半導體奈米帶(nanobelt)降溫約達40 K。雖然類似技術已經被用來冷卻摻雜稀土元素的玻璃，此研究可望促進實用光學冷卻裝置的開發，以便應用於人造衛星或自冷卻雷射等。
雷射冷卻(laser cooling)發展於1980年代，並因此帶動超冷原子氣(ultracold atomic gas)的豐富研究。此技術主要是以傳播方向相反的雷射光束找射原子氣體，當原子吸收並發出光子時，產生的淨效應會減少原子的平均運動，進而降低氣體溫度。
以雷射冷卻固體的原理稍有不同，原因為熱能在固體中是以聲子(phonon, 量子化的晶格振動)的形式儲存，而聲子並不與光子直接產生交互作用。在摻雜稀土元素玻璃中，由於存在反史托克斯躍遷(anti-Stokes transition)，原子會吸收聲子並射出能量較高的光子而帶走熱能。不過倘若此技術不能使用於像半導體等其他固體上，其應用價值將大打折扣。
最近，南洋(Nanyang)理工大學的Qihua Xiong等人成功利用雷射冷卻CdS奈米帶。此方法同樣仰賴反史托克斯過程，差別在於所吸收的光子先產生電子電洞對。當此激子(exciton)消滅時，半導體會釋出較高能光子，多出的能量則來自聲子，因此導致樣品冷卻。Xiong表示，他們原本計畫對CdS奈米帶進行雷射拉曼光譜實驗，卻意外發現此效應。
CdS具有強烈的反史托克斯光致發光性質(photoluminescence)，新加坡團隊使用的CdS奈米帶寬約3μm、厚約100 nm，並且垂掛於佈滿4μm孔洞的氧化矽基板上。研究人員以幫浦雷射脈衝照射孔洞上方的奈米帶以產生激子，並調整雷射能量使激子與數個聲子的能量和恰等於反史托克斯躍遷中所發射的光子能量，然後藉由幫浦-探測發光測溫法(pump-probe luminescence thermometry)測量溫度。每一幫浦光子可移除超過100 meV的能量，此高效率來自於CdS奈米帶中激子與聲子的強烈耦合。實驗發現，此奈米帶在40分鐘內從290 K降至約250 K，對應的冷卻功率為180 μW。
Xiong指出，雷射冷卻法毋需採用會產生震動的機械冷卻法及低溫液體，並可用於微型裝置的降溫。其他的應用範圍包含人造衛星的感測器以及自冷卻雷射系統。詳見Nature｜doi:10.1038/nature11721。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝