固体激光冷却技术，温度低到“无下限”

材料牛注：Sheik-Bahae和他的研究团队，成功地开发了一种光学制冷技术，该技术不需要任何流动介质，仅通过激光照射便可实现降温，突破了现有降温技术的限制。该研究成果已发表在Scientific Reports。

每当提起激光时，人们首先想到的往往是利用激光产生热量并点燃一些东西。但是，新墨西哥大学（University of New Mexico，其缩写为UNM）物理学与天文学系的科研团队却正在用激光来实现比北极圈温度更低的温度。

Mansoor Sheik Bahae博士是一名物理学与天文学教授，他和他的研究小组正在研究用于获得低温环境的光学制冷技术。从本质上讲，团队成员正使用激光来冷却一种特殊的晶体，并使这种晶体连接到需要持续、恒定低温条件的设备，比如卫星上的红外探测器等等。这项技术与其他技术相比，其区别在于：能够在不借助任何流动介质的情况下使物体温度下降。

Sheik-Bahae实验室的助理研究员Aram Gragossian说：“现在，任何东西在冷却系统其它部分的时候都需要借助流动介质，而大多数情况下，液体的流动将加剧设备的振动，从而使设备的精度和分辨率受到影响。当我们采用光学制冷技术进行降温时，系统中并不存在流动介质，因此在获得低温的同时，我们不再需要担心存在振动对设备造成的影响，这有利于很多应用的实现。”

今年早些时候，Sheik-Bahae和他在新墨西哥大学（University of New Mexico，其缩写为UNM）以及洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Labs）的合作者采用全固态制冷机获得了固态制冷史上的最低温度-91K（华氏-296度），该温度以前只能通过液氮或液氦才能达到。该研究的相关内容已在Scientific Reports上发表。

这篇论文的作者之一、新墨西哥大学（University of New Mexico，其缩写为UNM）的研究助理教授Alexander Albrecht表示：“我们是世界上唯一能够用全固态光学制冷机获得极低温度的团队。”

Sheik-Bahae说：“我们正处在固态激光降温领域的最前沿。在实现这一领域理论方面重大突破的同时，为了使这项技术能够得到应用，我们也做出了许多改进。例如，我们正在与Richard Epstein创立的一个新墨西哥（NM）创业公司合作开发世界上第一台全固态制冷设备。”

这一最新成果是新墨西哥大学（University of New Mexico，其缩写为UNM）、比萨大学(the University of Pisa)和新墨西哥国家实验室(New Mexico's national laboratories)的研究人员二十多年辛勤研究的结晶。1995年，Los Alamos的研究人员成功地使温度下降了一度。此后，通过不断提高含镱离子的合成晶体以及照射在其上的激光的纯度，降温效果到了显著提升。

Gragossian认为：“我们已经能够确定什么样的晶体能够用于光学制冷，通过与洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Labs）以及一些其它大学的合作，我们最终找到了能够将物体冷却到极端温度的晶体。”

对于未来，Sheik-Bahae和他的团队希望能够不断获得更低的温度，继续保持在这个领域的领先地位。他们相信，这必定对各行各业产生重要的影响。

固态制冷机的一个重要功能是冷却红外焦平面阵列（相机），这个功能可被用于各种应用，甚至可被用来检测皮肤癌患者体内的病变情况。这种探测器要求能够读取皮肤病变区域与健康区域之间微小的变化，因此，一个不会产生振动的降温系统将会极大地促进这项应用的实现。

另一个目前正在开发的应用是由该研究团队的成员与美国国家标准技术研究所（National Institute of Standards and Technology ，NIST）的科学家合作完成的，科学家们正在努力实现对“参考腔”（ "reference cavities"）的降温，由此获得超稳定的激光器，并在众多的计量应用中将其作为高精度计时器。

尽管这些只是固态制冷机的一些潜在应用，但固态制冷机的应用还有很大的研发空间，它也将对制冷设备使用方式的改变产生巨大影响。

作为新墨西哥大学（University of New Mexico，其缩写为UNM）物理学与天文学系的一部分，Sheik-Bahae和他的团队将会成为未来学校建设的新的物理学、天文学以及交叉学科研究中心(PAIS)的重要组成部分。

PAIS（Physics, Astronomy & Interdisciplinary Science）是一个全新的、最先进的高级研究中心，它将被建造在阿尔伯克基水库所在的城市，位于中央大道的北边、Yale大道和Cornell车道之间。这座占地137000平方英尺的建筑将包括实验室、教室、办公室和现代化的基础设施，这些设施将用于支持Sheik Bahae以及学校不同学科的科学家所研发的项目。

Albrecht说：“我们的实验室所处的建筑建于上世纪50年代，这给我们的科研工作带来了很大限制。另外，这里也没有足够的设施来满足我们的需求。”

作为光学和光电方向的研究人员，实验室空间是日常实验取得成功的一个极其重要的因素。

Gragossian说：“没有人能够在世界上的其它地方完成这些实验。我们确实在不断地突破科学的限制，但同时我们也需要获得实现这一切所需的最佳的工作环境。”

据Gragossian 和Albrecht所说，实验室中的温度变化或者过多的灰尘都可能给研究人员带来很大麻烦。例如，如果光学设备上有灰尘，激光能够在几分之一秒内对镜子造成损坏。

现在，研究人员被迫采取额外的措施来确保光学表上的灰尘尽可能少。他们必须使用塑料面板将设备保护起来，并用经过过滤的空气吹扫设备表面，从而去除残余的灰尘。

Gragossian：“在一个专门为开展这种类型的实验所建造的正规实验室里研究人员是不需要采取这样的极端措施的。但在现有实验设施条件下，这些就成了我们必须要处理的问题了。

PAIS将花费超过6500万美元，它将成为主校区最大的建筑物。目前，建设该设施所需要的一部分钱来自债券，今年十一月，新墨西哥州人决定对普通信用担保债券C进行投票。如果债券C通过，该设施将会在2019年完成。

随着赞助项目在新墨西哥大学（University of New Mexico，其缩写为UNM）的主、分校区进行，债券C也为整个州的许多高等院校提供了数百万美元，这一切都是免税的。此外，选民的投资将对国家的经济产生很大影响，这些投资预计将创造超过1300个新的就业机会，对于新墨西哥州的家庭以及新墨西哥州大学的研究人员来说，这将带来巨大的繁荣景象。

Gragossian表示：“有了债券C，我们将能进一步推动我们的工作并保持在光学制冷领域以及其它我们正在新墨西哥大学（University of New Mexico，其缩写为UNM）做的基础研究项目所在领域的领导者地位。”目前，该成果已发表于期刊Scientific Reports。

参考原文链接：Physicists reach lowest temperature ever recorded in solids using laser cooling

本文由编辑部黄语嫣提供素材，刘纯编译，丁琬芝审核，点我加入材料人编辑部。

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