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激光冷却技术大突破

次浏览     2018-7-26 16:06:26

“如果你看过电影星球大战,就会知道电影里面的激光炮能够使物体升温。而这一次,是首次利用激光束在日常条件下冷却像水这样的液体,” 这篇论文的主要作者,也是华盛顿大学材料科学与工程专业助理教授Peter Pauzauskie说。“这种做法是否能够成功,确实是一个悬而未决的问题,因为我们都知道,水被光束照亮,就会变暖。”

  这个发现能够帮助工业领域,利用集中光束在一个微小的面积里实现“点冷”操作。举个微处理器的例子,可能会有那么一天,使用激光束来冷却计算机芯片中的特定部件,以防止过热,这样也能让信息处理的效率更高。

自1960年激光发明以来,它们总是发出热量,或者作为一个用途广泛的工具,一种副产品,也经常以一种虚构的方式被用来征服银河系的敌人。

  但是这些激光束却从来没有用来冷却液体。华盛顿大学的研究人员首次解决了这个存在了几十年的难题,他们在现实条件下,实现了用激光冷却水和其它液体。

  这一研究成果发表于11月16日出版的《美国国家科学院院刊上》,该团队利用红外激光将水冷却到36华氏度,这是该领域的一项重大突破。

  “如果你看过电影星球大战,就会知道电影里面的激光炮能够使物体升温。而这一次,是首次利用激光束在日常条件下冷却像水这样的液体,” 这篇论文的主要作者,也是华盛顿大学材料科学与工程专业助理教授Peter Pauzauskie说。“这种做法是否能够成功,确实是一个悬而未决的问题,因为我们都知道,水被光束照亮,就会变暖。”

  这个发现能够帮助工业领域,利用集中光束在一个微小的面积里实现“点冷”操作。举个微处理器的例子,可能会有那么一天,使用激光束来冷却计算机芯片中的特定部件,以防止过热,这样也能让信息处理的效率更高。

  科学家们也能利用激光束,在细胞分裂或自我修复时,通过精确地冷却细胞的一部分,减缓它们的分裂和自我修复过程,从而让研究人员有机会了解细胞是如何工作的。也可以在神经网络中单独冷却一个神经元——只是让这个神经元不再活跃,并没有损害它——通过这种方式来了解附近的神经元如何绕过它以及实现自我修复。

  “对于细胞如何分裂,分子和酶如何实现它们的功能,还有许多令人感兴趣的方面,但在以往却没有办法做到通过冷却的方式来研究它们的特性,” Pauzauskie说,他也是来自华盛顿州里奇兰,美国能源部的太平洋西北国家实验室的科学家。“利用激光冷却,有点像将电影中的生命的活动过程进行慢动作展示,优点是,你不需要冷却整个细胞,如果冷却整个细胞就会杀死它或改变它的行为。”

  华盛顿大学的研究团队选用红外光作为冷却激光,实现在生物学领域的应用,因为可见光会对细胞有破坏作用,能够将它们“晒伤”。他们证实激光也能冷却盐水和细胞培养基(在遗传和分子研究领域常用)。

  为了实现这项突破,华盛顿大学研究团队使用了商业激光领域常见的一种材料,但本质上却与激光现象相反。他们用红外激光照射一个悬浮在水中的微小晶体,激发出一种独特的光线,这个光线的能量比光吸收的能量要稍微多一点。

  这种高能光从晶体和包围着它的水中带走了热量。首次激光冷却过程是1995年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室在真空条件下实现的,近20年后在液体中,再次实现了这个过程。

  通常情况下,激光晶体的生长是一个昂贵的过程,需要花费大量的时间和美元,只能生产仅仅一克材料。华盛顿大学的研究团队还发明了一个低成本的水热方法,可用于制造著名的激光晶体,以更加快捷、低成本和可扩展的方式实现激光冷却应用。

  华盛顿大学的研究团队还设计了一种仪器,使用激光阱(类似于微牵引光束),将一个侵入液体中的纳米晶体“困在”液体室里,并用激光照射它。为了确定液体是否冷却,这个仪器能够投射粒子的“影子”,通过这种方式研究人员能够观察它运动过程中每分每秒的变化。

  当周围的液体变冷时,被困住的颗粒就会慢下来,从而让研究团队清楚地观察冷却效果。他们还设计了一种晶体,当冷却时能够实现从蓝绿到泛红的颜色变化,就像一个内置的彩色温度计。

  “这个项目的真正挑战是建造一个仪器,以及设计一种方法,利用与困住晶体相同光线的特征,也能够确定这些纳米晶体的温度,”论文的主要作者派登 罗德说,他刚刚获得威斯康辛大学材料科学与工程专业博士学位,目前在英特尔工作。

  到目前为止,华盛顿大学的研究团队仅仅展示了单一纳米晶体的冷却效果,而激发多个晶体需要更多的激光能。激光冷却过程目前比较耗能,Pauzauskie说,下一步的研究包括寻找提高效率的方法。

  有一天,冷却技术本身也可以通过高功率激光,用来实现制造、电信或国防领域应用,而目前高功率激光往往容易过热以及将物体融化。

  “因为利用激光冷却液体之前是不可能做到的,所有现在人们不会一下子就想到如何利用这项技术来解决问题,”他说。“我们就感兴趣的是,我们的研究对其他科学家或企业的想法产生何种影响,会不会影响他们的基础研究或底线,让他们不再墨守成规或固执己见。”

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