南京大学和清华大学的研究团队展示了一种全新的纳米尺度设备冷却方法，仅需一束激光和一对原子级厚度的半导体层。这项于6月24日发表在《自然》杂志上的方法，在不到一纳米的间隙上产生了超过100开尔文的温差，其热梯度之陡峭，为量子器件和超薄电子器件的片上冷却开辟了新可能。
研究人员将这种机制称为界面电荷转移（ICT）冷却，它代表着对数十年来激光冷却工作原理的根本性突破。
一种不同的冷却方式
传统的光学制冷（也称为上转换光致发光冷却）的工作原理是：用激光照射一种材料，该材料将吸收的能量以更高能量的光子形式重新发射出来。由于发射出的光子带走的能量比吸收的多，材料因此冷却。问题在于，这一过程需要近乎完美的外量子效率，材料必须重新发射出它吸收的几乎每一个光子，且几乎没有寄生加热效应。只有少数材料（如硫化镉纳米带和某些卤化物钙钛矿）能够达到这一标准，而且只能在精心调谐的共振条件下实现。
ICT冷却则基于完全不同的原理。研究人员构建了两种不同过渡金属二硫属化物（TMD）的堆叠结构，具体来说，是由二硒化钨（WSe₂）与二硒化钼（MoSe₂）或二硫化钨（WS₂）配对组成的异质双层。每一层只有三个原子厚。
其工作原理如下：连续波激光在WSe₂层中激发电子-空穴对。这些光激发载流子随后穿过II型能带对齐结，进入相邻的MoSe₂或WS₂层。电荷转移速度极快，在WSe₂/WS₂体系中室温下约为56飞秒。但关键在于，这种转移并非动量匹配的。电子必须从WSe₂晶格振动（声子）中获取能量，才能克服界面处的能垒。这种声子吸收过程直接冷却了WSe₂晶格。
同时，界面本身起到了热屏障的作用。分子动力学模拟显示，界面热阻非常大，且随层间距呈指数级增长。这阻止了热量从受主层回流到冷却的施主层，从而维持了温度梯度。
实际成果
作者报告称，在激光激发下，WSe₂层和MoSe₂层之间产生了超过100开尔文的温差。确切的大小取决于测量方法：WSe₂层的拉曼测温显示，相对于环境温度冷却了几开尔文；而跨越亚纳米层间间隙的温度梯度（从模拟中外推，并由光致发光和拉曼特征支持）则超过了100 K。冷却效应通过三种独立的光谱特征得到确认：反斯托克斯与斯托克斯拉曼强度比下降、光致发光蓝移以及从发射光谱中提取的电子温度降低。
该机制相比传统光学制冷具有若干实际优势。它不需要共振激发，冷却效应在1.7至2.0电子伏特（约620至730纳米）的宽波长范围内持续存在。它能容忍大范围的激光功率。最关键的是，它不依赖于光致发光量子产率：即使在量子产率仅为0.1%的化学气相沉积WSe₂中也观察到了冷却效应，远低于上转换冷却所需的近统一效率。
耦合的最佳点
该效应取决于在两个层之间实现团队所称的”中间耦合”状态。通过精确控制层间距和扭转角（使用对准干法转移堆叠技术），他们创造了一个既保持电荷转移效率又保留声子吸收所需动量失配的区间。耦合太强（层间距小、杂化强烈）会抑制动量失配，从而消除该效应。耦合太弱（间距大、相互作用可忽略）则完全阻止了有效的电荷转移。
研究团队确定了三种耦合区域：弱耦合（标记为T，摩擦学状态，层间相互作用可忽略）、最佳点（标记为H，异质双层，中间耦合）和强耦合（标记为S，强杂化状态）。只有中间H区域才会产生冷却效应。
应用前景
潜在的应用领域在于纳米尺度的热管理。目前量子器件的低温冷却需要庞大的低温恒温器，限制了小型化和集成化。一种在几纳米尺度工作且仅需激光源的片上冷却方法，可能会改变量子光电子系统、超薄电子器件和高密度光子电路中的热管理设计方式。所使用的材料（WSe₂、MoSe₂、WS₂）是研究最广泛的TMD半导体之一，可以通过标准方法制备。
局限性
该演示仍停留在单个异质结构薄片的水平。尚未解决向实际器件阵列的规模化问题。当异质双层悬浮且与基底隔离时，冷却效果更强，因为导热基底会充当散热器并降低效率，这意味着实际器件需要精心设计热隔离结构。实现温度梯度的界面热阻同时也限制了从冷却层排热的速度，可能会限制稳态冷却功率。
该机制仅在两种材料组合中得到验证：WSe₂/MoSe₂和WSe₂/WS₂。它是否能推广到其他TMD配对或其他二维材料家族（如黑磷或III-VI族化合物）仍有待证明。
南京大学的第一作者林佳民，清华大学的共同第一作者向百旭和刘仁光，以及通讯作者徐伟高、熊启华和高华健，共同展示了一种全新的激光冷却物理机制。温度梯度本身或许还无法与传统光学制冷在其最佳材料中达到的显著数据相媲美，但该机制（宽波长容限、耐受杂质、可在最常见的二维半导体家族中工作）打开了一个此前不存在的热工程工具箱。
来源： Lin J， Xiang B， Liu R， et al. Optical cooling by interfacial charge transfer in 2D heterostructures. Nature. 2026年6月24日在线发表. doi:10.1038/s41586-026-10662-w
婷 翻译