既然激光制冷这么热门，有人就想着把它推广到原子分子以外的体系里，比如说固体或者液体——但我是不相信的，由于知道里面的难度。这两天看到个新闻，美国科学家用激光把液体冷却了20度[1]，我以为太不可思议了，就把文章[2]找了出来。看完往后就放心了：没错，确实是忽悠。
激光制冷固体的想法早就有了，跟冷却原子的道理是类似的：物体一边接管光、一边发射光，只要接管的光子能量比放出的光子能量小，物体就会自然而然地冷下去。为了实现这个目标，原子靠的是多普勒效应，而固体靠的是声子（也便是晶格的振动）。固体接管了光子之后，如果能够接管一个声子、跳到更高的能级后再发射光子的话，总能量就降落了——光子悄悄的去了，正如它悄悄的来，只带走了一朵云彩，oops，一个声子。把固体冷却了，再冷却液体就大略了。把一小片固体扔到水里，用激光来照射这块固体，等固体冷了，周围的液体当然也就冷了。新闻里讲的事情便是这么做的。
道理很大略，做起来很难。如果想要激光来冷却固体，激光就必须只做冷却这件事，其他啥事都不干。也便是说，来一个光子，固体就接管一个，而且急速就有一个声子来合营，把它变成能量更高的光子，然后发射出去（这个过程有个专门的名称，叫作拉曼散射，更确切地说，它是反斯托克斯拉曼散射，anti-Stokes Raman scattering）。可惜的是，光子并非总这么友好，固体并非总这么纯挚，声子也不总是这么合营——天下这么大，大家都很忙——有些人就不幸地忘掉了这些成分。
激光冷却液体这项事情的紧张结果是[2]：波长1020nm、功率密度25MW/cm2的红外激光把YLF晶体（2%Er和10%Yb掺杂，尺寸略小于1微米）冷却到室温以下20度。这块小小的YLF晶体是悬浮在水里面的（利用了激光光镊技能）。
这是不可能完成的任务，由于它违反了能量守恒定律。
入射激光的波长是1020nm，出射的反斯托克斯光的波长是1000nm，冷却效率大概是5%（1−1000/1020=0.05）。入射光功率 25MW/cm2×(1um)2=250mW。固体样品的接管长度大约是1厘米[3]，而其尺寸才1微米，最多只能接管0.01%也便是万分之一的入射功率。总的制冷功率最多也就1.3uW（250mW×0.01%×5%=1.3uW）。
假设固体样品的温度比室温低20度，打算一下就可以得到样品周围的水通报热的功率6mW/cm⋅deg×20deg/5um×4π×(5um)2=750uW，个中，水的热导率是6mW/cm⋅deg，温度梯度是20deg/5um，水球的表面积是4π×(5um)2。
750uW远大于1.3uW，显然不可能有任何制冷效果。把稳，我们压根还没有考虑反斯托克斯过程发生的几率呢（估计连1%也到不了，大概连万分之一都不到）。梦想美好，现实残酷。
我认为问题出在温度丈量上。由于尺度太小了，不可能用温度计，温度是间接丈量的——通过丈量小颗粒在水里的布朗运动来推断的。实在，这是所有激光冷却固体事情的通病，他们采取的都是间接手法来丈量温度（最常用的是光谱法）。参考文献[3]实在也有同样的问题，而且让人奇怪的是，那里样品的尺寸很大，好几个厘米，完备可以用温度计丈量（比如说，电阻型温度计），他们说制冷功率有几十个毫瓦，可还是择了用光谱方法来推断温度。转头再看看1995年激光冷却固体的Nature文章[4]，用间接法推断温度，没有考虑接管系数之波长依赖关系的影响，轻率地丁宁了再接管的影响，至少可以说是让人疑问重重。二十年过去，弹指一挥间，同样的干事方法仍旧在连续，只是这次忽悠的更大了一些。虽然没有仔细剖析过其他文章，但我疑惑他们有着类似的问题。
在PNAS这篇文章里，作者描述了很多细节，剖析了很多成分，可是偏偏忘掉了样品的接管长度和周围液体的导热效率。真是遗憾，让我们回顾朗道的话：
确定对研究征象的近似程度在理论研究中是非常主要的。最严重的缺点是，采取非常精确的理论并详细打算所有的细节改动，同时却忽略了非常主要的物理量。
虽然这个教训针对的是理论研究，但是同样也适用于实验科学。
参考文献：
[1] 华盛顿大学重大打破：首次实现用激光制冷液体
http://www.cpus.gov.cn/index/cnkepunews/kepunews/201511/t20151118_1925161.shtml
[导读] 激光发明以来，从来没有被用来冷却液体，目前华盛顿大学的研究职员在该领域实现重大打破，他们在现实条件下，实现了用激光冷却水和其它液体。
为了实现这项打破，华盛顿大学研究团队利用了商业激光领域常见的一种材料，但实质上却与激光征象相反。他们用红外激光照射一个悬浮在水中的眇小晶体，引发出一种独特的光芒，这个光芒的能量比光接管的能量要轻微多一点。
http://phys.org/news/2015-11-team-refrigerates-liquids-laser.html
http://www.sciencedaily.com/releases/2015/11/151116181338.htm
[2] Roder et. al., Laser refrigeration of hydrothermal nanocrystals in physiological media, PNAS 2015 ; published ahead of print November 20, 2015, doi:10.1073/pnas.1510418112
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1510418112
[3] MelgaardSD, Seletskiy DV, Di Lieto A, Tonelli M, Sheik-Bahae M (2013) Optical refrigeration to 119 K, below National Institute of Standards and Technology cryogenic temperature. Opt Lett 38(9):1588–1590.
接管长度的数据是这样推断出来的：样品长度是1.2厘米，激光在里面打了5个来回，以是接管长度该当是厘米的量级。把稳，这篇文章里的样品是5%Yb的YLF样品，而不是10%Yb+2%Er。这篇文章也被[2]引用了。
[4] EpsteinRI, Buchwald MI, Edwards BC, Gosnell TR, Mungan CE (1995) Observation of laser-induced fluorescent cooling of a solid. Nature 377(6549):500–503.
样品尺寸为2.5×2.5×6.9mm，接管峰值涌如今980nm，在920nm和1010nm处下
降到峰值的大约10%。
来源：姬扬科学网博客
作者姬扬，系中国科学院半导体研究所研究员
