冷却系统是许多现代技术的一个组成部分，因为热量往往会磨损材料并在几个方面降低性能。然而，在许多情况下，冷却可能是一个不方便和能源密集型的过程。因此，科学家们一直在寻求创新和有效的方法来冷却物质。

　　固态光学冷却是一个突出的例子，它利用了一种非常独特的现象，称为反斯托克斯（AS）发射。通常，当材料从入射光中吸收光子时，它们的电子会转变为“激发态”。在理想条件下，当电子恢复到原始状态时，部分多余的能量以光的形式释放，而其余的则转化为热。在经历AS发射的材料中，电子与被称为“声子”的晶格振动相互作用，从而发射出的光子比入射光中的光子具有更高的能量。如果AS的发射效率接近100%，这些材料在暴露于光下时理论上可以冷却下来，而不是升温。

　　在最近于2024年8月29日发表在《纳米快报》第24卷第36期的一项研究中，由日本千叶大学科学研究生院Yasuhiro Yamada教授领导的一组研究人员在一种有前途的钙钛矿基材料结构中深入研究了这种现象。该团队包括千叶大学科学与工程研究生院的Takeru Oki，大阪大学工程研究生院的Kazunobu Kojima博士和京都大学化学研究所的Yoshihiko Kanemitsu博士，试图揭示一种特殊排列的钙钛矿量子点（极小的CsPbBr3晶体）嵌入Cs4PbBr6主体晶体矩阵（表示为CsPbBr3/Cs4PbBr6晶体）中的光学冷却现象。

　　“在半导体中实现光学冷却的努力遇到了一些困难，主要是因为要达到接近100%的发射效率，而真正的冷却一直是难以捉摸的。虽然量子点因其高发射效率而被看好，但它们是出了名的不稳定，暴露在空气中和持续的照明会降低它们的发射效率。因此，我们专注于一种被称为“晶体中的点”的稳定结构，它可以克服这些限制，”Yamada解释说。

　　使用半导体量子点是一个尚未解决的问题。当光照射半导体时，它会产生激子——电子对和带正电的“空穴”。当激子重新组合时，它们通常会发光。然而，在高激子密度下，一种被称为俄歇复合的过程变得更加突出，通过这种过程，能量以热而不是光的形式释放出来。在半导体量子点中，由于这个过程，高强度光的照射通常会导致加热而不是冷却。

　　因此，研究人员使用时间分辨光谱来确定俄歇复合更频繁发生的条件。这些实验表明，即使在中等光强下，加热也是不可避免的，这意味着要观察到真正的光学冷却，需要在低光强下进行实验。不幸的是，在低强度下，光学冷却变得不那么有效。在最佳条件下，他们的样品在室温下的理论冷却极限约为10 K。

　　这项研究的另一个重点是比以前报道的工作更可靠的温度测量。为此，他们开发了一种方法，通过分析发射光谱的形状来估计具有高发射效率的样品的温度。在多个样品中观察到真正的光学冷却，研究人员注意到，随着激发光强度的增加，从冷却到加热的转变发生了。

　　“以前关于半导体光学冷却的报告缺乏可靠性，主要是由于温度估计的缺陷。然而，我们的研究不仅建立了一种可靠的方法，而且通过时间分辨光谱确定了光学冷却的潜力和局限性，标志着该领域的重大成就，”Yamada评论道。

　　本研究为进一步研究如何减少俄歇复合以改善晶中点排列的冷却性能奠定了基础。如果光学冷却技术得到显著改善，从而实现广泛的实际应用，它可能成为几种节能技术的基础，为全球可持续发展目标做出贡献。