Resfriamento com luz agora também em objetos de estado sólido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/12/2024

Pesquisadores demonstram como pontos quânticos contidos em uma rede cristalina podem atingir temperaturas de cerca de 10 ºC abaixo da temperatura ambiente por meio do resfriamento óptico, abrindo caminho para tecnologias de resfriamento com eficiência energética.
[Imagem: Yasuhiro Yamada Lab/Chiba University,]

Resfriamento óptico

A intuição nos diz que disparar luz contra um objeto irá aquecer esse objeto, já que a luz lhe repassa sua energia. Isso está correto na larga maioria das situações, mas é possível fazer tudo funcionar ao contrário se nosso objeto for um átomo - na verdade podem ser vários deles, mas não em quantidade suficiente para que as regras da mecânica quântica sejam sobrepujadas pelas leis da mecânica clássica.

Essa técnica, chamada resfriamento a laser, ou refrigeração óptica, foi demonstrada pela primeira vez há 40 anos e hoje é a base de muitos campos de pesquisa, mas sempre envolvendo gases, plasmas e condensados.

Funciona assim: Primeiro se escolhe uma cor de luz - a frequência do laser - menor do que a frequência de ressonância dos átomos, o que significa que cada átomo só absorverá a luz se estiver se movendo em direção ao laser, devido ao efeito Doppler. Ao absorver os fótons, os átomos ganham um pequeno "empurrão" na direção oposta ao seu movimento, perdendo um pouco de energia cinética. Logo a seguir, eles tendem a voltar ao seu estado de energia de equilíbrio, o que fazem emitindo fótons, perdendo a energia que ganharam originalmente. Nisso cada átomo não perde ou ganha momento, de modo que o balanço final é que aquele pequeno empurrão deixou o átomo mais lento, ou seja, mais frio. Repita isso muitas e muitas vezes e você conseguirá levar o átomo até perto do zero absoluto.

Mas as teorias dizem que também dá para resfriar opticamente materiais de estado sólido, só que o processo é um pouquinho diferente, envolvendo um fenômeno único, chamado emissão anti-Stokes (AS), que surge quando a saída energética de uma partícula é maior do que a entrada - há também uma emissão Stokes, quando o inverso é verdadeiro.

Geralmente, quando os materiais absorvem fótons da luz incidente, seus elétrons transitam para um estado excitado. Em condições ideais, conforme os elétrons retornam ao seu estado original, parte desse excesso de energia é liberado de volta como luz (fótons), enquanto o restante é convertido em calor. Em materiais que apresentam a emissão AS, os elétrons interagem com vibrações da rede cristalina, chamadas fônons, de tal modo que os fótons emitidos são de energia mais alta do que aqueles da luz incidente. Se a eficiência de emissão de AS for próxima de 100%, esses materiais poderiam teoricamente esfriar, em vez de esquentar, após a exposição à luz.

Agora, Yasuhiro Yamada e colegas da Universidade de Chiba, no Japão, acabam de demonstrar experimentalmente esse resfriamento a laser de estado sólido. E eles usaram materiais semicondutores, o que abre um leque muito amplo de utilização prática da técnica.

Amostras dos pontos quânticos no cristal semicondutor.
[Imagem: Yasuhiro Yamada et al. - 10.1021/acs.nanolett.4c02885]

Resfriamento com pontos quânticos

A equipe conseguiu demonstrar o resfriamento óptico em um material de estado sólido usando as muito promissoras perovskitas, semicondutores que se tornaram as novas estrelas das células solares e de uma nova geração de LEDs, chamados PeLEDs, mas também já permitiram a criação de um ar-condicionado de estado sólido.

"Os esforços para alcançar o resfriamento óptico em semicondutores encontraram várias dificuldades, principalmente devido aos desafios em atingir quase 100% de eficiência de emissão, e o resfriamento verdadeiro tem sido ilusório. Embora os pontos quânticos sejam promissores por sua alta eficiência de emissão, eles são notoriamente instáveis, e a exposição ao ar e à iluminação contínua degradam sua eficiência de emissão. Assim, focamos em uma estrutura estável conhecida como 'pontos em cristais', que pode superar essas limitações," explicou Yamada.

Pontos quânticos são nanopartículas semicondutoras em escala nanométrica que emitem luz de modo tão eficiente e controlado que se tornaram os píxeis das telas mais modernas, mas estão sendo pesquisados para muitas outras aplicações - a descoberta dos pontos quânticos ganhou o Nobel de Química deste ano.

Funcionou, mas equipe descobriu que o resfriamento óptico em estado sólido, ao menos usando a tecnologia dos pontos quânticos, jamais atingirá a capacidade do resfriamento a laser de gases. O material sólido irá resfriar no máximo 9 ºC porque a técnica só funciona com lasers de baixa potência - aumente a potência e emergirá um fenômeno chamado recombinação de Auger, que resultará em que o material irá se aquecer, em vez de se resfriar.

Embora a refrigeração alcançada seja insuficiente para as tecnologias quânticas e os experimentos científicos, ela é significativa o suficiente para atender a necessidades de resfriamento de ambientes, como nos sistemas de ar-condicionado.

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