Průlomová studie věnující se zkoumání potenciálu optického chlazení v pevné fázi přinesla překvapivé výsledky. Vědci totiž zjistili, že ke snížení teploty materiálů lze použít světlo.

Moderní technologie čelí rostoucí potřebě účinnějších a šetrnějších metod chlazení. Jednou z inovací, která může zásadním způsobem změnit přístup k tomuto konceptu, je využití optického ochlazování pomocí kvantových teček (quantum dots). Tento proces, známý také jako anti-Stokesova fluorescence, využívá světlo k odvodu tepelné energie z materiálů, což přináší potenciál pro efektivní chlazení pevných látek bez přítomnosti chladícího média.

Světlo jako prostředek k ochlazení pevných materiálů

Jsou to pak právě kvantové tečky, které jsou pro tento mechanismus klíčové. Malé polovodičové nanokrystaly dokáží absorbovat světlo o specifické vlnové délce, přičemž následně emitují fotony z vyšší energií, a tím odvádí z materiálu teplo. Tento proces byl až donedávna zkoumán především v kapalných prostředích, ale díky novému výzkumu, jehož výsledky byly publikovány v časopise Nano Letters,  je nyní možné jej aplikovat i na pevné látky.

Cooling with Light: Exploring Optical Cooling in Semiconductor Quantum Dots – https://t.co/qWY2G4YP7A #semiconductordigest #semiconductors #semiconductor #semiconductorindustry #semiconductorwebsite #semiconductormagazine

— Semiconductor Digest (@Semi_Dig) November 26, 2024

Tým pod vedením profesora Yasuhiro Yamady z  Čibské univerzity v Japonsku pozoroval anti-Stokesovu fluorescenci během studia materiálu na bázi minerálu zvaného perovskit. Předmětem zkoumání bylo objasnit jevy tohoto optického chlazení ve speciálním uspořádání kvantových teček tvořených miniaturními krystalky CsPbBr₃. Ty byly vloženy do matrice hostitelského krystalu Cs₄PbBr₆. Dřívější pokusy o prokázání ochlazování prostřednictvím světla byly neúspěšné zejména díky nízké účinnosti celého procesu. Kvantové tečky jsou totiž na vzduchu poměrně nestabilní, a nutnost jejich osvěcení tak vede ke snížení efektivity emise. Použití krystalických teček jako v případě perovskitu však může tato omezení překonat.

Technologie má stále své mouchy, potenciál je ale obrovský

Dalším problémem, který se vědci ve studii pokusili vyřešit, byla eliminace vlivu excitonů, které taktéž vznikají při osvitu polovodičů, materiál však namísto chlazení ohřívají. Tento jev, známý jako Augerova rekombinace, se autorům práce podařilo důkladně zanalyzovat, přičemž zjistili, že k jeho potlačení dochází zejména při osvitu o nízké intenzitě světla. I tak však byl ohřev pozorován, a působil tak proti chladícímu efektu. Nejlepších podmínek dosáhli vědci při pokusu, v němž se perovskit ochladil přibližně o 10 °C z původní pokojové teploty.

Zvládnutí technologie efektivního chlazení v dnešní době nabývá na důležitosti. Foto: Pixabay

Ačkoliv se plně nepodařilo odstranit veškeré negativní efekty působící proti chlazení, autoři výzkumu věří, že v budoucnosti budou kvantové tečky integrovány do celé řady produktů, čímž umožní jejich efektivní chlazení při současném snižování energetických nákladů. Vývoj také směřuje k tomu, aby se metoda stala dostupnou pro komerční aplikace, což by mohlo významně ovlivnit například průmysl polovodičů nebo optických technologií. Zároveň jde o ekologicky přívětivou a udržitelnou alternativu k jiným druhům chlazení, které jsou energeticky náročnější.

Zdroje: 1, 2, 3