Kalte Halbleiter dank Laserstrahlung

Singapur (Singapur) – Strahlt Laserlicht auf einen handwarmen Halbleiter, kann der bis unter den Gefrierpunkt von Wasser abgekühlt werden. Dieser Erfolg im Bereich der Laserkühlung gelang nun Physikern aus Singapur, die darüber in der Zeitschrift „Nature“ berichten. Theoretisch sei sogar eine weit effizientere Laserkühlung bis auf minus 269 Grad Celsius möglich. Damit stünde in aufwendigen Experimenten – beispielsweise in der Quantenphysik – eine elegante Kühlmethode zur Verfügung, die ohne direkten Kontakt mit einer Probe funktionieren soll. Aber auch für das Kühlen hoch getakteter Schaltkreise aus speziellen Halbleitern wäre diese Methode mit Lichtstrahlen einsetzbar. Laserkühlung funktionierte schon länger für andere Materialien wie etwa spezielle Gläser, an der Laserkühlung von Halbleitern scheiterten die Forscher bisher.

„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 einer Wellenlänge von 532 Nanometern 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 Lumineszenzlicht führten. Für diesen Prozess benötigte der Halbleiter zusätzliche Energie, sodass es zu einer Abkühlung des Materials kam.

In ihren Versuchen konnten Xiong und Kollegen eine Probe aus Cadmiumsulfid bei Raumtemperatur um etwa vierzig 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.