固體激光冷卻技術，溫度低到“無下限”

材料牛注：Sheik-Bahae和他的研究團隊，成功地開發了一種光學制冷技術，該技術不需要任何流動介質，僅通過激光照射便可實現降溫，突破了現有降溫技術的限制。該研究成果已發表在Scientific Reports。

每當提起激光時，人們首先想到的往往是利用激光產生熱量并點燃一些東西。但是，新墨西哥大學（University of New Mexico，其縮寫為UNM）物理學與天文學系的科研團隊卻正在用激光來實現比北極圈溫度更低的溫度。

Mansoor Sheik Bahae博士是一名物理學與天文學教授，他和他的研究小組正在研究用于獲得低溫環境的光學制冷技術。從本質上講，團隊成員正使用激光來冷卻一種特殊的晶體，并使這種晶體連接到需要持續、恒定低溫條件的設備，比如衛星上的紅外探測器等等。這項技術與其他技術相比，其區別在于：能夠在不借助任何流動介質的情況下使物體溫度下降。

Sheik-Bahae實驗室的助理研究員Aram Gragossian說：“現在，任何東西在冷卻系統其它部分的時候都需要借助流動介質，而大多數情況下，液體的流動將加劇設備的振動，從而使設備的精度和分辨率受到影響。當我們采用光學制冷技術進行降溫時，系統中并不存在流動介質，因此在獲得低溫的同時，我們不再需要擔心存在振動對設備造成的影響，這有利于很多應用的實現。”

今年早些時候，Sheik-Bahae和他在新墨西哥大學（University of New Mexico，其縮寫為UNM）以及洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Labs）的合作者采用全固態制冷機獲得了固態制冷史上的最低溫度-91K（華氏-296度），該溫度以前只能通過液氮或液氦才能達到。該研究的相關內容已在Scientific Reports上發表。

這篇論文的作者之一、新墨西哥大學（University of New Mexico，其縮寫為UNM）的研究助理教授Alexander Albrecht表示：“我們是世界上唯一能夠用全固態光學制冷機獲得極低溫度的團隊。”

Sheik-Bahae說：“我們正處在固態激光降溫領域的最前沿。在實現這一領域理論方面重大突破的同時，為了使這項技術能夠得到應用，我們也做出了許多改進。例如，我們正在與Richard Epstein創立的一個新墨西哥（NM）創業公司合作開發世界上第一臺全固態制冷設備。”

這一最新成果是新墨西哥大學（University of New Mexico，其縮寫為UNM）、比薩大學(the University of Pisa)和新墨西哥國家實驗室(New Mexico's national laboratories)的研究人員二十多年辛勤研究的結晶。1995年，Los Alamos的研究人員成功地使溫度下降了一度。此后，通過不斷提高含鐿離子的合成晶體以及照射在其上的激光的純度，降溫效果到了顯著提升。

Gragossian認為：“我們已經能夠確定什么樣的晶體能夠用于光學制冷，通過與洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Labs）以及一些其它大學的合作，我們最終找到了能夠將物體冷卻到極端溫度的晶體。”

對于未來，Sheik-Bahae和他的團隊希望能夠不斷獲得更低的溫度，繼續保持在這個領域的領先地位。他們相信，這必定對各行各業產生重要的影響。

固態制冷機的一個重要功能是冷卻紅外焦平面陣列（相機），這個功能可被用于各種應用，甚至可被用來檢測皮膚癌患者體內的病變情況。這種探測器要求能夠讀取皮膚病變區域與健康區域之間微小的變化，因此，一個不會產生振動的降溫系統將會極大地促進這項應用的實現。

另一個目前正在開發的應用是由該研究團隊的成員與美國國家標準技術研究所（National Institute of Standards and Technology ，NIST）的科學家合作完成的，科學家們正在努力實現對“參考腔”（ "reference cavities"）的降溫，由此獲得超穩定的激光器，并在眾多的計量應用中將其作為高精度計時器。

盡管這些只是固態制冷機的一些潛在應用，但固態制冷機的應用還有很大的研發空間，它也將對制冷設備使用方式的改變產生巨大影響。

作為新墨西哥大學（University of New Mexico，其縮寫為UNM）物理學與天文學系的一部分，Sheik-Bahae和他的團隊將會成為未來學校建設的新的物理學、天文學以及交叉學科研究中心(PAIS)的重要組成部分。

PAIS（Physics, Astronomy & Interdisciplinary Science）是一個全新的、最先進的高級研究中心，它將被建造在阿爾伯克基水庫所在的城市，位于中央大道的北邊、Yale大道和Cornell車道之間。這座占地137000平方英尺的建筑將包括實驗室、教室、辦公室和現代化的基礎設施，這些設施將用于支持Sheik Bahae以及學校不同學科的科學家所研發的項目。

Albrecht說：“我們的實驗室所處的建筑建于上世紀50年代，這給我們的科研工作帶來了很大限制。另外，這里也沒有足夠的設施來滿足我們的需求。”

作為光學和光電方向的研究人員，實驗室空間是日常實驗取得成功的一個極其重要的因素。

Gragossian說：“沒有人能夠在世界上的其它地方完成這些實驗。我們確實在不斷地突破科學的限制，但同時我們也需要獲得實現這一切所需的最佳的工作環境。”

據Gragossian 和Albrecht所說，實驗室中的溫度變化或者過多的灰塵都可能給研究人員帶來很大麻煩。例如，如果光學設備上有灰塵，激光能夠在幾分之一秒內對鏡子造成損壞。

現在，研究人員被迫采取額外的措施來確保光學表上的灰塵盡可能少。他們必須使用塑料面板將設備保護起來，并用經過過濾的空氣吹掃設備表面，從而去除殘余的灰塵。

Gragossian：“在一個專門為開展這種類型的實驗所建造的正規實驗室里研究人員是不需要采取這樣的極端措施的。但在現有實驗設施條件下，這些就成了我們必須要處理的問題了。

PAIS將花費超過6500萬美元，它將成為主校區最大的建筑物。目前，建設該設施所需要的一部分錢來自債券，今年十一月，新墨西哥州人決定對普通信用擔保債券C進行投票。如果債券C通過，該設施將會在2019年完成。

隨著贊助項目在新墨西哥大學（University of New Mexico，其縮寫為UNM）的主、分校區進行，債券C也為整個州的許多高等院校提供了數百萬美元，這一切都是免稅的。此外，選民的投資將對國家的經濟產生很大影響，這些投資預計將創造超過1300個新的就業機會，對于新墨西哥州的家庭以及新墨西哥州大學的研究人員來說，這將帶來巨大的繁榮景象。

Gragossian表示：“有了債券C，我們將能進一步推動我們的工作并保持在光學制冷領域以及其它我們正在新墨西哥大學（University of New Mexico，其縮寫為UNM）做的基礎研究項目所在領域的領導者地位。”目前，該成果已發表于期刊Scientific Reports。

參考原文鏈接：Physicists reach lowest temperature ever recorded in solids using laser cooling

本文由編輯部黃語嫣提供素材，劉純編譯，丁琬芝審核，點我加入材料人編輯部。

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