Учёные охладили жидкость с помощью лазера

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 что-либо.

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, 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.