Сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета предложили физический механизм, который в перспективе может заменить традиционные вентиляторы и радиаторы в электронных устройствах. Вместо отвода тепла через механические системы они используют эффект антистоксовой фотолюминесценции — явление, при котором вещество преобразует тепловую энергию колебаний собственной кристаллической решетки в дополнительное свечение.
Перегрев остается одной из главных проблем в развитии процессоров, лазерных диодов и оптических датчиков. Он снижает эффективность работы, сокращает срок службы компонентов и увеличивает энергопотребление. Традиционные кулеры занимают много места и создают вибрации, что делает их непригодными для высокоточных измерительных систем. Поэтому разработка бесконтактных методов охлаждения является актуальной инженерной задачей.
В основе нового подхода лежит антистоксова фотолюминесценция: материал поглощает фотон с одной энергией, а испускает — с большей. Разница в энергии берется из тепловых колебаний атомов решетки. В результате вещество локально теряет тепло и охлаждается. Однако для целенаправленного создания таких систем необходимо точно знать, какие именно энергетические переходы происходят внутри материала.
В эксперименте ученые синтезировали структуру-«сэндвич» из трех слоев. Центральная часть — пленка арсенида галлия толщиной всего 14 нанометров, что примерно в 5 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Сверху и снизу ее ограничивают слои из галлия, мышьяка и алюминия. Эта конфигурация образует квантовую яму, где движение электронов и дырок ограничено по одной оси. В таких условиях формируются четкие экситонные состояния — связанные пары электрона и положительно заряженной дырки. В структуре выделяются два типа экситонов: с тяжелой и легкой дыркой, обладающие разными энергетическими уровнями.
Опыты проводились при сверхнизких температурах (около –269 °C). Лазерный луч возбуждал только экситоны с тяжелой дыркой. Однако регистрируемое свечение соответствовало экситонам с легкой дыркой, для возникновения которых требуется больше энергии. Наблюдения подтвердили, что недостающую энергию система забирает из тепловых колебаний решетки, охлаждая ее. Механизм напоминает подъем по энергетическим «ступенькам»: свет ставит систему на нижний уровень, а тепло решетки помогает перейти на более высокий, после чего испускается более энергичный фотон, уносящий избыток тепла.
Авторы подчеркивают, что работа носит фундаментальный характер и выполнена в экстремальных температурных условиях. Однако она закладывает физическую основу для будущих технологий, где отвод тепла будет осуществляться светом без движущихся частей и габаритных радиаторов. В перспективе это может быть использовано в компактных лазерах, фотонных чипах, чувствительных сенсорах и других устройствах, где критически важны эффективное охлаждение и низкое энергопотребление.
Читайте также: Nvidia применяет охлаждение горячей жидкостью в платформах Rubin.