华盛顿大学团队利用激光对其开发的纳米晶进行冷却，会发出肉眼可见的红绿色“辉光”。图片来源：Dennis Wise/华盛顿大学

自1960年发明首个激光以来，激光一直用于加热——无论是作为有效的工具、副产品或虚拟的方式来征服银河系的敌人。

但这些集中的光束从来都不能冷却液体。华盛顿大学研究人员首次解决了这个几十年的难题——弄清楚了激光如何在现实条件下冷冻水及其他液体。

该项研究11月16日发表于《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。该小组采用一种红外激光将水冷却至36华氏度——这是该领域的重大突破。

该论文通讯作者、UW材料科学与工程助理教授Pauzauskie这样说：“通常情况下，你去电影院看《星球大战》，里面的激光炮都是用于加热物体。这个实验室第一次在日常条件下将激光束用于冷冻液体，比如水。在此之前，关于这个是否可以做到一直都是悬而未决的问题，因为通常而言光照都是在加热水。”

该发现有助于工业用户利用光斑来“点冷”很小的局部区域。比方说微处理器，或许有一天可以利用激光束来冷却计算机当中的特定部件，以防止过热，使其更加高效的处理信息。

科学家还可以采用激光束来精确冷却分裂或自修复时细胞的局部，从根本上减慢这些快速过程，让研究人员能有机会看清它们是如何进行的。甚至他们可以无损的冷却神经网络当中的某个单一神经元，从而搞清楚它是如何与周围神经元缠绕并重新布线的。

美国能源部位于华盛顿Richland太平洋西北国家实验室科学家Pauzauskie表示：“这在细胞如何分裂以及分子和酶如何起作用方面表现出了很大的益处，因为在将其冷冻之前几乎没有可能研究其性质。采用激光冷却，有可能放慢真实生命的运动过程。优势在于不需要冷却整个细胞，这样会杀死或改变其行为。”

UW研究团队采用红外光作为冷却激光，应用到生物学当中，因为可见光会“晒伤”细胞。他们证明了激光可以冷冻那些通常用于遗传学及分子研究的盐水和细胞培养液。

UW团队采用了一种常用激光器，但又从本质上与激光现象相反的材料，取得了这项突破。他们将红外激光照射到悬浮于水中的一个单一微晶上，使其激发出独特的光，而这种光所具有的能量要比吸收的光稍大。

这种更高能量的发光将其周围晶体及水中的热量带走了。1995年，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）首次证实了可在真空下利用激光进行冷冻过程，现在花了将近20年时间证实了这个过程也可以在液体当中进行。

通常而言，生长激光晶体是一个昂贵的过程，需要大量的时间并花费数千美元才能生长出1克的这种材料。UW团队还发现了一种低成本的水热法来生产用于激光冷却的激光晶体，这是一种更快、廉价且可扩展的方法。

UW团队同时还设计了一种使用激光陷阱（类似于微型的牵引光束）的仪器，将液体周围的单一纳米晶“保持”在一个腔室内，并利用激光使其发光。为了确定液体是否被冷却，这种仪器还可以将粒子以研究人员可以观察期微小变化的方式进行“投影”。

随着周围液体被冷却，限域的粒子也会逐渐变慢，从而使得该团队可以清楚的观察到制冷效果。他们还设计出了随温度降低可从蓝绿色变到红绿色的晶体，就像是一个内置颜色的温度计一样。

该论文第一作者Paden Roder（最近已获得UW材料科学博士学位，目前就职于Intel集团）说：“该项目的真正挑战在于构建仪器，并设计出能够确定纳米晶温度的方法。”

到目前为止，UW团队只证实了单一纳米晶的冷却效果，因为多个晶体需要的激光功率要更高。目前激光制冷非常耗能，接下来的工作包括寻找提高效率的方法。Pauzauskie这样说。

因为更高功率的激光器往往容易过热甚至熔化，或许有一天这种冷却技术可以使更高功率的激光器应用于制造业、电信业及国防。

他表示：“很少有人想到可以利用这种技术来解决问题，因为在此之前激光制冷液体是不可实现的。我们感兴趣的是这些创意将如何影响其他科学家或企业的基本研究或底线。”

 

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮