Тьма рождает холод: как сделать квантовый холодильник

Фото Getty Images
Фото Getty Images
Физики использовали квантовые свойства светодиодов, чтобы изготовить микроскопический холодильник, который можно использовать в электронике

Исследователи из Университета Мичигана — Прамод Редди, Эдгар Мейхофер и их коллеги — предложили изящный способ использования квантовых эффектов для генерации холода. В основе лежит широко распространенное устройство — светодиод (LED). Об этом физики сообщают в своем сообщении в Nature.

Законы квантовой механики широко используются для получения сверхнизких температур. Для этого применяется свет лазера. Принцип — если упрощенно изложить его с позиций классической физики — состоит в том, что, когда атом в своем тепловом движении летит навстречу фотону, он может поглотить его и уменьшить свою скорость. При этом частоту падающего света можно подобрать таким образом, чтобы поглощение фотона «вдогонку», то есть с ускорением атома, было менее вероятным. Этот принцип применяют для охлаждения газа — к примеру, атомов рубидия — до температур, очень близких к абсолютному нулю, порядка одной миллионной доли градуса.

Однако команда экспериментаторов из Мичигана взяла на вооружение другой квантовый эффект. В их опытах вещество охлаждают не светом, а его отсутствием, то есть темнотой. Этот метод применим не к газу, а к твердому телу и может быть использован для охлаждения элементов микроэлектроники.

В основе лежит светодиод — полупроводник, способный испускать свет, когда через него в определенном направлении пропускают электрический ток. Принцип светодиода состоит в том, что электрическое напряжение разгоняет электроны, как бы заставляя их прыгать с энергетического трамплина. «Падая» вниз, электрон теряет энергию, полученную от электрического поля, излучая ее в виде световых фотонов.

Для внешнего мира светодиод кажется как бы холоднее, чем он есть на самом деле.

Но что будет, если приложить к светодиоду напряжение в противоположном направлении? Как и все диоды, этот полупроводник работает лишь в одну сторону. Если же сменить полярность, то эффект в некотором смысле меняется на противоположный: вместо того, чтобы генерировать световые фотоны, светодиод перестает производить даже те фотоны, которые предписывает ему физика, то есть инфракрасные фотоны теплового излучения. Таким образом, для внешнего мира он кажется как бы холоднее, чем он есть на самом деле. И это не только иллюзия: поскольку все тела стремятся к тепловому равновесию, полупроводник начинает поглощать тепло от своего непосредственного окружения. «Если взять теплый предмет и холодный предмет, вы можете получить теплообмен посредством излучения», — объясняет Прамод Редди. Правда, здесь уже вступают в действие квантовые странности: фотонам для этого придется «туннелироваться» через энергетический барьер, а значит, охлаждаемое тело должно оказаться как можно ближе к полупроводнику.

Физики проверили этот эффект, разместив светодиод на расстоянии порядка десятых нанометра от калориметра, измеряющего передачу тепла. Светодиод поглотил от калориметра больше фотонов, чем передал ему, и в результате температура понизилась на одну десятитысячную градуса. Эффект кажется очень незначительным, однако расчет показывает, что тепловой поток от калориметра к крохотному светодиоду составил 6 ватт на квадратный метр. Для сравнения, наша планета получает от Солнца около 1000 ватт на квадратный метр, то есть различие составляет всего около двух порядков. По словам авторов работы, этот разрыв можно преодолеть, уменьшая зазор между светодиодом и охлаждаемым телом.

Forbes попросил прокомментировать эти эксперименты Алексея Федорова, руководителя группы в Российском квантовом центре. «Обычно для охлаждения используют лазеры, — сказал Алексей. — Эта техника является альтернативной и базируется на контроле химического потенциала фотонов — создается специальное устройство для этого. Как пишут авторы, лазерное охлаждение это не заменит, поскольку не позволит достичь столь низких температур (микрокельвины и нанокельвины). Но до 60 кельвинов охладить можно, и это полезно для электроники — например, для хороших однофотонных детекторов. Эта работа ценна тем, что проверяет на практике возможность создания таких устройств. До этой статьи были только теоретические предложения».

Схожего мнения придерживается физик-теоретик из Калифорнии Фань Шаньхуэй (Shanhui Fan), который ранее предсказал и рассчитал наблюдаемый эффект с помощью компьютерного моделирования. Он видит в этом исследовании большой потенциал для применения в микроэлектронике.