Первый лазер, прибор для усиления света посредством вынужденного излучения, был изобретен в 1960 году, и всегда был известен как инструмент, который вырабатывает тепловую энергию — либо в качестве рабочего инструмента, либо как побочный эффект работы, либо в кинематографе как оружие для победы над межгалактическими врагами. Однако концентрированные пучки света, испускаемые лазером, никогда не были в состоянии охлаждать жидкость.
Физики из Университета Вашингтона стали первыми, кто смог заставить лазер охлаждать воду и другие жидкости. Об открытии сообщается в пресс-релизе университета.
В исследовании, результаты которого будут опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (от ред. Paden B. Roder, Bennett E. Smith,Xuezhe Zhou, Matthew J. Crane, and Peter J. Pauzauskie Laser refrigeration of hydrothermal nanocrystals in physiological media), учёные использовали лазер, испускающий инфракрасный свет. С его помощью физики продемонстрировали совершенно новые свойства лазерного луча: он понизил температуру воды до 2,2 градуса по Цельсию.
Исследовательская группа создала установку, которая использовалась в качестве оптической ловушки. Внутри камеры с жидкостью лучами удерживался нанокристалл (цель). Освещая "охлаждающим" лазерным лучом микроскопический кристалл, взвешенный в воде, учёные заставляли последний генерировать излучение. Испускаемое свечение "забирало" у нанокристалла немного больше энергии, чем он получал от лазера. Благодаря этому процессу и сам кристалл, и окружающая его жидкость постепенно охлаждались.
Чтобы определить, охлаждается ли вода вокруг цели, приборы регистрировали тень нанокристалла. По мере того как жидкость теряет тепло, цель замедляет своё движение близ точки захвата в оптической ловушке. Наблюдая за малейшими изменениями в движении нанокристалла, физики смогли судить о падении температуры.
Исследователи также заставили кристалл менять свой цвет от голубовато-зелёного до красновато-зелёного по мере охлаждения. Этот эффект в дальнейшем можно будет использовать в качестве цветового индикатора температуры.
Физики США создавали свою установку с прицелом на работу с биологическими объектами, поэтому они выбрали для экспериментов именно инфракрасное излучение. Оно не вызывает "ожог" у клеток и прочих "живых" систем (в отличие от видимого света).
В ходе экспериментов учёные продемонстрировали, как созданный ими лазер может охладить солевой раствор и среду для культивирования клеток, которые обычно используются в генетических и молекулярных лабораторных опытах.
"Когда вы идете в кино смотреть "Звездные Войны", вы видите на экране, как лазерные бластеры в руках героев раскаляют и сжигают предметы. Мы же создали первый лазерный луч, который, наоборот, может охлаждать жидкость, такую как вода, в обычных повседневных условиях. Это нечто совершенно новое в науке", — рассказывает руководитель исследования Питер Паузовский (Peter J. Pauzauskie), доцент кафедры материаловедения и инженерии Университета Вашингтона.
Исследователи перечисляют множество областей, в которых может найти применение технология лазерного охлаждения. Например, микропроцессоры могут использовать лазерный луч для точечного охлаждения отдельных компонентов в компьютерных чипах, чтобы предотвратить их перегрев.
Биологи смогут использовать лазерный луч, чтобы целенаправленно охладить часть клетки во время того, как она делится, и отследить хромосомные изменения. Понижение температуры замедлит эти процессы, дав исследователям возможность увидеть детализированную картину происходящего.
Также можно остудить один нейрон — притормозить его деятельность, не повреждая, — чтобы увидеть, как соседи-нейроны будут обходиться без него и изменять свою работу.
"Используя технологию лазерного охлаждения, можно будет даже снять фильмы на тему "Замедленная жизнь в действии", — добавляет Паузовский. — А главное то, что вам не обязательно охлаждать всю клетку целиком, рискуя убить эту крошечную единицу жизни: достаточно будет направить луч на нужный участок".
Отметим, что, как правило, создание кристаллов для лазеров — так называемой активной среды, определяющей мощность лазера, — весьма дорогостоящий процесс, который требует много времени и может стоить больших денег.
Учёные Университета Вашингтона в ходе своего исследования показали, что для изготовления кристаллов для лазерных "холодильных установок" может быть использован гидротермальный синтез, который ускоряет и удешевляет производство, а также позволяет сделать его масштабируемым.
Пока команда исследователей Университета Вашингтона продемонстрировала эффект охлаждения только с одним нанокристаллом. В дальнейшем физики планируют начать тестирование технологии на нескольких кристаллах. Для этого потребуются лазеры большей мощности. Так как процесс лазерного охлаждения достаточно энергоёмкий, в будущем исследователи будут искать способы улучшения эффективности работы установки.
"Мы заинтересованы в идеях и предложениях других учёных или представителей сферы бизнеса, — отмечает Питер Паузовский, — для расширения области применения лазерного охлаждения с максимальной пользой для человечества".
Добавим, что процесс лазерного охлаждения впервые был продемонстрирован в условиях вакуума в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) в 1995 году, но прошло почти 20 лет до того момента, как учёные сумели наглядно продемонстрировать этот процесс в жидкостях
