首次實現用激光制冷液體

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發表于 2015-11-20 18:36:45 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

自1960年激光發明以來，它們總是發出熱量，或者作為一個用途廣泛的工具，一種副產品，也經常以一種虛構的方式被用來征服銀河系的敵人。
但是這些激光束卻從來沒有用來冷卻液體。華盛頓大學的研究人員首次解決了這個存在了幾十年的難題，他們在現實條件下，實現了用激光冷卻水和其它液體。

這一研究成果發表于11月16日出版的《美國國家科學院院刊上》，該團隊利用紅外激光將水冷卻到36華氏度，這是該領域的一項重大突破。

“如果你看過電影星球大戰，就會知道電影里面的激光炮能夠使物體升溫。而這一次，是首次利用激光束在日常條件下冷卻像水這樣的液體，” 這篇論文的主要作者，也是華盛頓大學材料科學與工程專業助理教授Peter Pauzauskie說。“這種做法是否能夠成功，確實是一個懸而未決的問題，因為我們都知道，水被光束照亮，就會變暖。”

這個發現能夠幫助工業領域，利用集中光束在一個微小的面積里實現“點冷”操作。舉個微處理器的例子，可能會有那么一天，使用激光束來冷卻計算機芯片中的特定部件，以防止過熱，這樣也能讓信息處理的效率更高。

科學家們也能利用激光束，在細胞分裂或自我修復時，通過精確地冷卻細胞的一部分，減緩它們的分裂和自我修復過程，從而讓研究人員有機會了解細胞是如何工作的。也可以在神經網絡中單獨冷卻一個神經元——只是讓這個神經元不再活躍，并沒有損害它——通過這種方式來了解附近的神經元如何繞過它以及實現自我修復。

“對于細胞如何分裂，分子和酶如何實現它們的功能，還有許多令人感興趣的方面，但在以往卻沒有辦法做到通過冷卻的方式來研究它們的特性，” Pauzauskie說，他也是來自華盛頓州里奇蘭，美國能源部的太平洋西北國家實驗室的科學家。“利用激光冷卻，有點像將電影中的生命的活動過程進行慢動作展示，優點是，你不需要冷卻整個細胞，如果冷卻整個細胞就會殺死它或改變它的行為。”

華盛頓大學的研究團隊選用紅外光作為冷卻激光，實現在生物學領域的應用，因為可見光會對細胞有破壞作用，能夠將它們“曬傷”。他們證實激光也能冷卻鹽水和細胞培養基(在遺傳和分子研究領域常用)。

為了實現這項突破，華盛頓大學研究團隊使用了商業激光領域常見的一種材料，但本質上卻與激光現象相反。他們用紅外激光照射一個懸浮在水中的微小晶體，激發出一種獨特的光線，這個光線的能量比光吸收的能量要稍微多一點。

這種高能光從晶體和包圍著它的水中帶走了熱量。首次激光冷卻過程是1995年美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室在真空條件下實現的，近20年后在液體中，再次實現了這個過程。

通常情況下，激光晶體的生長是一個昂貴的過程，需要花費大量的時間和美元，只能生產僅僅一克材料。華盛頓大學的研究團隊還發明了一個低成本的水熱方法，可用于制造著名的激光晶體，以更加快捷、低成本和可擴展的方式實現激光冷卻應用。

華盛頓大學的研究團隊還設計了一種儀器，使用激光阱(類似于微牽引光束)，將一個侵入液體中的納米晶體“困在”液體室里，并用激光照射它。為了確定液體是否冷卻，這個儀器能夠投射粒子的“影子”，通過這種方式研究人員能夠觀察它運動過程中每分每秒的變化。

當周圍的液體變冷時，被困住的顆粒就會慢下來，從而讓研究團隊清楚地觀察冷卻效果。他們還設計了一種晶體，當冷卻時能夠實現從藍綠到泛紅的顏色變化，就像一個內置的彩色溫度計。

“這個項目的真正挑戰是建造一個儀器，以及設計一種方法，利用與困住晶體相同光線的特征，也能夠確定這些納米晶體的溫度，”論文的主要作者派登羅德說，他剛剛獲得威斯康辛大學材料科學與工程專業博士學位，目前在英特爾工作。

到目前為止，華盛頓大學的研究團隊僅僅展示了單一納米晶體的冷卻效果，而激發多個晶體需要更多的激光能。激光冷卻過程目前比較耗能，Pauzauskie說，下一步的研究包括尋找提高效率的方法。

有一天，冷卻技術本身也可以通過高功率激光，用來實現制造、電信或國防領域應用，而目前高功率激光往往容易過熱以及將物體融化。

“因為利用激光冷卻液體之前是不可能做到的，所有現在人們不會一下子就想到如何利用這項技術來解決問題，”他說。“我們就感興趣的是，我們的研究對其他科學家或企業的想法產生何種影響，會不會影響他們的基礎研究或底線，讓他們不再墨守成規或固執己見。”

激光, 制冷