Учёные Санкт-Петербургского государственного университета предложили охлаждать полупроводники с помощью антистоксовой фотолюминесценции — явления, при котором материал тратит тепло колебаний собственных атомов на свечение, унося избыток энергии. Нагрев ограничивает эффективность, срок службы и энергопотребление процессоров, лазерных диодов и оптических датчиков, а традиционные кулеры и вентиляторы занимают много места и создают вибрации, неприемлемые для высокоточных систем. Результаты опубликованы в Physical Review B при поддержке РНФ.
Исследователи создали наноструктуру-«сэндвич»: центральная пленка арсенида галлия толщиной 14 нм (в 5000 раз тоньше волоса) заключена между слоями из галлия, мышьяка и алюминия. Такая структура работает как квантовая яма, ограничивающая движение электронов и дырок. Ключевую роль играют экситоны — связанные состояния электрона и дырки. В структуре важны два типа экситонов — с тяжёлой и лёгкой дыркой, имеющие разные энергии.
При сверхнизких температурах (около –269°C) учёные возбудили лазером только экситоны с тяжёлой дыркой, но зарегистрировали свечение экситонов с лёгкими дырками, требующих больше энергии. Недостающую энергию материал получил от тепловых колебаний кристаллической решётки, тем самым охлаждаясь. Образно говоря, возбуждающий свет помещает систему на нижнюю энергетическую «ступеньку», а тепловые колебания помогают подняться на более высокую, после чего система испускает более энергичный фотон, уносящий избыток тепла.
Хотя работа носит фундаментальный характер и выполнена при низких температурах, она закладывает физическую основу для будущих технологий, где избыток тепла можно будет отводить с помощью света без громоздких систем. Понимание этого механизма может быть востребовано при создании компактных лазеров, фотонных чипов, квантовых сенсоров и других устройств, где критически важны эффективный отвод тепла и низкое энергопотребление. В перспективе подход позволит материалам для электроники самостоятельно охлаждаться.
Фото: один из авторов исследования, аспирант кафедры фотоники Роман Назаров, получает экспериментальные данные. Источник: Роман Назаров / СПбГУ.
