Laser-Kühlschrank: Kalte Halbleiter dank Lichtstrahlung
„Diese Art der Laserkühlung klappt aber nur, wenn die Wellenlänge des Lichts genau passt“, sagt Qihua Xiong von der Nanyang Technological University in Singapur. So wählte er mit seinen Kollegen einen Laser aus, der grüne Lichtpulse mit 532 Nanometer Wellenlänge aussendete. Trafen diese Laserstrahlen auf eine filigrane Struktur aus dem Verbindungshalbleiter Cadmiumsulfid, wurden sie absorbiert und konnten das Material elektronisch anregen. Diese Anregungszustände bezeichnen Physiker als Exzitonen und Phononen, die nach sehr kurzer Zeit zu einer Aussendung von Lumineszenz-Licht führten. Für diesen Prozess benötigte der Halbleiter zusätzliche Energie, so dass es zu einer Abkühlung des Materials kam.
In ihren Versuchen konnten Xiong und Kollegen eine Cadmiumsulfid-Probe bei Raumtemperatur um etwa 40 Grad abkühlen. Ein weiteres Experiment zeigte, dass die Temperatur einer auf minus 173 Grad Celsius vorgekühlten Probe immerhin noch um weitere 15 Grad gesenkt werden konnte. Sehr effizient ist dieses Kühlverfahren bisher jedoch nicht. Nur etwa zwei Prozent der eingesetzten Laserenergie ließ sich tatsächlich für den Kühlprozess nutzen.
Mit weiteren Verbesserungen hofft Xiong, die Effizienz der Laserkühlung von Halbleitern weiter erhöhen zu können. „Unsere Forschung könnte zu einer optischen Kühlung bis auf die Temperatur von flüssigem Helium führen“, sagt der Wissenschaftler. Bei minus 269 Grad Celsius kondensiert das Edelgas Helium. Dieser Temperaturbereich ist besonders für quantenphysikalische Experimente beispielsweise bei der Erforschung von atomaren Systemen für zukünftige Quantencomputer interessant. Gelingt es, auch Halbleiter mit Laserlicht so weit abzukühlen, stünde eine elegante kontaktlose Methode für viele Experimente zur Verfügung. Doch auch eine Anwendung bei Raumtemperatur zur Kühlung von elektronischen Schaltkreisen, aufgebaut aus Verbindungshalbleitern, will Xiong nicht ausschließen.