Полупроводник может охлаждаться не вентилятором, а светом: ученые разработали энергетическую «лестницу» для экситонов.
Перегрев — постоянная проблема современной электроники. Чем сильнее чип, лазер или оптический сенсор, тем труднее отводить избыточное тепло. Вентиляторы и кулеры занимают пространство и вызывают вибрации, что особенно неудобно для высокоточных оптических систем. Физики Санкт-Петербургского государственного университета предложили новый подход: заставить материал охлаждаться за счет собственного свечения. Работа, поддержанная грантом Российского научного фонда, опубликована в журнале Physical Review B.
Основой эксперимента стала наноструктура из трех слоев. Центральная часть — пленка арсенида галлия толщиной всего 14 нанометров, что примерно в 5000 раз меньше человеческого волоса. Сверху и снизу она окружена слоями соединения галлия, мышьяка и алюминия. Эта структура функционирует как квантовая яма: она ограничивает движение электронов и «дырок» — квазичастиц, образующихся на месте отсутствующих электронов.
Здесь возникают экситоны — связанные состояния электрона и дырки. В исследовании ученые работали с двумя их типами: связанными с легкими и тяжелыми дырками. Эти состояния имеют различную энергию, и разница между ними стала ключом к необычному охлаждению.
Сначала лазер, потом — энергетический прыжок
Эксперимент проводился при температуре −269°C. Лазер активировал экситоны с тяжелыми дырками, а затем исследователи фиксировали свечение экситонов с легкими дырками. Однако для такого излучения энергии оказалось недостаточно.
Недостающая энергия была извлечена из колебаний кристаллической решетки — то есть от теплового движения атомов. В итоге испускаемый фотон уносил больше энергии, чем получал от возбуждающего света. Это явление называется антистоксовой фотолюминесценцией. Проще говоря, материал превращал часть своего тепла в свет и таким образом охлаждался.
Авторы сравнивают это с несколькими близко расположенными ступенями: лазер перемещает экситон на нижнюю, тепловые колебания способствуют его подъему выше, а затем более энергичный фотон уносит полученную энергию наружу.