Mikroelektroonikas põhjustab soojuslik kadu sageli probleeme, mida tehnikud hulga tööga lahendama peavad. Juba üksiku biti lülitusprotsessis eksisteerib teoreetiline minimaalne soojuslik dissipatsioon. Austria füüsikud mõtlesid seevastu välja laseri, mis suudab töötada dissipatsioonisoojuse toimel.
Kvantkaskaadi skemaatiline joonis. Kihiline pooljuhtstruktuur põhjustab paremal nähtava tsoonstruktuuri.
Laservalguse avastamisest saadik on koherentne kiirgus vallutanud inimese igapäevaelu mikropoole, alates tarbijaelektroonikast lõpetades telekommunikatsiooniseadmete ja meditsiinitehnoloogiaga. Ent mitte kõiki võimalikke laserite spektreid ei ole võrdse kaaluga uuritud. Lühilainelise infrapunakiirgust ja teraherts-kiirgust tootvad kvant-kaskaadlaserid on praegu kõige olulisemad uuritavad koherentse valguse allikad. Kvantkaskaadlaserites võimendatakse valgust eriehitusega kihilises dopeeritud pooljuhtkihtide voolukanalis. Soojsulike kadude tekkimist seletas töö autor, Austria Innsbrucki Ülikooli Teoreetilise Füüsika Instituudi teadlane Helmut Ritsch järgmiselt:“Elektronid juhitakse läbi laseri füüsilise struktuuri tuneleerumisprotsesside ja kvanthüpete (quantum leap) abil, see põhjustab koherentsete valguskvantide kiirgumist. Protsessi käigus põrkuvad elektronid teiste osakestega, mis põhjustab laseri soojenemise.“ Kvantkaskaadlaserid töötavad vaid piisava aktiivjahutuse korral.
Helmut Ritsch ning tema doktorant Kathrin Sandler mõtlesid probleemi lahendamises välja soojusdissipatsiooni tarbiva laseri tööprintsiibi. Teoreetilise füüsika alane artikkel avaldati hiljuti mainekas teadusajakirjas Physical Review Letters. Artiklis väidavad teadlased, et kvantkaskaadlaserite soojuslik dissipatsioon on rakendatavuse kaudu välditav. Selleks on vaja hoolikalt modelleerida laseri pooljuhtkihtide paksust. „Oluline on soojenevate ning külmade kihtide eristamine. Nii saab valmistada vooluahela, milles johtub üheaegselt kvantide kiirgamine ning soojuse neeldumine. Kahe järjestikuse footoni emissiooni vahel absorberitakse seadmes foonon, mille tulemusena laser jahtub. Ideaalpildis piisaks laseri toitmiseks vaid foononite energiast,“ lisas Kathrin Sandner.
„Konseptsiooni praktiline rakendamine on keeruline, ent suure tagastusväärtusega,“ kommenteeris Helmut Ritsch. Lahenduse füüsikalist ideed saaks olemasolevatele kvantkaskaadlaseritele jahutamiseks juba rakendada. Lihtsustatud konseptsioon tundub tehniliselt praktiline ning on eksperimentaatorite poolt vaatluse all.
„Tegemist on täiesti uue lähenemisega mikrokiipide jahutamise ideoloogiale. Selle asemel, et soojust radiaatoritega minema uhtuda saame seda rakendada,“ valgustas Helmut Ritch oma tudengite tööd.
Allikas: Phys.org