První ochlazení běžné kapaliny laserem v historii

24. listopad 2015
03518026.jpeg

Většinou jsme svědky toho, že vystavíme-li nějakou látku světelnému záření, látka se vlivem pohlcování záření zahřeje. Odborníkům z Washingtonské univerzity se však podařilo pomocí laseru přivodit pravý opak, tj. látku ochladit. Svoji práci popsali v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences 16. listopadu 2015.

Vědci použili konkrétně infračervený laser, přičemž výsledkem bylo lokální ochlazení kapaliny (jmenovitě těžké vody) za běžných podmínek o 2,2 stupně Celsia oproti teplotě okolí, která byla větší než 10 stupňů Celsia. Cílem laseru v kapalině byl speciální nanokrystal yttrium lithium fluoridu (YLF). Tento materiál se sám o sobě používá v běžných laserech. Lokální ochlazení některých míst v nanokrystalu přitom činilo nejméně 21 stupňů Celsia. Nanokrystal byl právě nástrojem ochlazení, které se pak přeneslo do okolní kapaliny.

Motivací vědců byla budoucí laboratorní práce především s biologickými preparáty za běžných teplot, kdy bude třeba kontrolovat procesy v buňkách pomocí nastavování a udržování různých teplot v různých částech buňky. Pak by bylo možné některé procesy v buňkách podle potřeby tlumit, zpomalovat či naopak stimulovat a zrychlovat. Aplikací tohoto postupu však může být i řízené ochlazování některých míst v rámci mikroelektronických čipů či laserů samotných.

Proto byl také zvolen infračervený laser (zde pracující v kontinuálním režimu), jelikož laserové světlo s vlnovou délkou ve viditelném oboru spektra by mohlo buňky poškodit. V minulosti se již vědcům podařilo ochlazovat i větší krystaly za tzv. kryogenických teplot (kolem 90 Kelvinů) ve vakuu, ale tuto praxi by nebylo možno použít pro účely práce s živými biologickými vzorky ve fyziologickém prostředí.

Tým inženýrů z University of Washington (zleva): Peter Pauzauskie, Xuezhe Zhou, Bennett Smith a Matthew Crane

Uvnitř nanokrystalů pak proběhl jakýsi “inverzní chod laserového mechanismu” Vědci zde vytvořili situaci, díky níž se nanokrystaly mohly zbavovat tepla vyzařováním převážně zeleného nelaserového světla, zatímco docházelo k cílenému kvantovému pohlcování tepla z okolí pomocí tzv. optických fononů, tedy speciálních energetických kvazičástic. V běžném laseru je naopak viditelné nelaserové světlo zdrojem energie na vstupu, zatímco energetickým výstupem může být laserové infračervené světlo a produkce odpadního tepla. Při ochlazování nanokrystalu se zároveň s teplotou jemně měnila barva vyzařovaného světla.

Vědci udrželi nanokrystal na přesném místě ozařovaném laserem díky optické pasti, kterou tvořily optické kleště mikroskopického charakteru, tj. optická analogie tažného paprsku.

Zdroje: Phys.Org, Futurism, ScienceDaily, University of Washington, Proceedings of the National Academy of Sciences

Spustit audio
autor: Pavel Vachtl