Учёные Санкт-Петербургского государственного университета предложили новый способ охлаждения полупроводников, основанный на антистоксовой люминесценции. Вместо того чтобы отводить тепло с помощью вентиляторов и кулеров, материал сам превращает энергию колебаний атомов в световое излучение, тем самым охлаждаясь. Это открытие может привести к созданию бесшумных и компактных систем охлаждения для процессоров, лазерных диодов и оптических датчиков.

В центре эксперимента — структура-«сэндвич» из трёх слоёв: центральная пленка арсенида галлия толщиной 14 нанометров (в 5000 раз тоньше волоса) помещена между слоями из галлия, мышьяка и алюминия. Такая конструкция создаёт квантовую яму, в которой движение электронов и дырок ограничено по одному направлению, что позволяет формировать чёткие экситонные резонансы. Экситоны — связанные состояния электрона и дырки — играют ключевую роль во взаимодействии материала со светом.

При сверхнизких температурах (около –269°C) физики воздействовали на структуру лазером, возбуждая только один тип экситонов — с тяжёлой дыркой. Однако в ответном свечении регистрировались фотоны от экситонов с лёгкой дыркой, которые требуют больше энергии. Недостающую энергию система забирала из тепловых колебаний кристаллической решётки, тем самым охлаждая материал.

Как объяснил инженер-исследователь кафедры фотоники СПбГУ Роман Назаров, структура создаёт для экситонов несколько близко расположенных энергетических «ступенек». Возбуждающий свет помещает систему на нижнюю ступеньку, а тепловые колебания решётки помогают ей подняться на более высокую, после чего система испускает более энергичный фотон. Хотя работа носит фундаментальный характер, её результаты закладывают физическую основу для будущих технологий, в которых избыток тепла можно будет отводить с помощью света — без вентиляторов и громоздких охлаждающих систем. Это особенно важно для фотонных чипов, компактных лазеров и чувствительных оптических датчиков.