Ny maser i en skoæske lover bærbar præcision

Forskere ved Imperial College Londons Department of Materials har udviklet en ny bærbar maser, der kan passe på størrelse med en skoæske.

Imperial College London var banebrydende for opdagelsen af ​​rumtemperatur solid-state masere i 2012, hvilket fremhævede deres evne til at forstærke ekstremt svage elektriske signaler og demonstrere højfrekvent stabilitet. Dette var en betydelig opdagelse, fordi mikrobølgesignaler kan passere gennem jordens atmosfære lettere end andre bølgelængder af lys. Derudover har mikrobølger evnen til at trænge gennem menneskekroppen, en bedrift, der ikke kan opnås med lasere.

Masere har omfattende applikationer i telekommunikationssystemer – alt fra mobiltelefonnetværk til satellitnavigationssystemer. De har også en nøglerolle i at fremme kvantecomputere og forbedre medicinske billedbehandlingsteknikker, såsom MRI-maskiner. De er typisk stort, omfangsrigt, stationært udstyr, der kun findes i forskningslaboratorier.

En ny undersøgelse har fundet en måde at gøre masere væsentligt mere kompakte og bærbare. Den nye enhed, der kun vejer et par kilogram og er på størrelse med en skoæske, kan booste mikrobølgesignaler til en overkommelig pris. Den er afhængig af et pentacenforstærkende materiale, en kæde af fem benzenringe, der kan "mase" ved stuetemperatur.

Dr. Wern Ng, forfatter til papiret offentliggjort i Applied Physics Letters , udtalte, "Masere havde altid brug for meget kolde temperaturer, og de havde normalt brug for støvsugere, hvilket gjorde dem meget tunge.

"Vi har formået at krympe maseren til kun 5 kg, uden behov for afkøling, uden behov for vakuum, og det hele er solid state.

"Det, der adskiller den bærbare maser fra tidligere designs, er, at skoæske-maseren er den første bærbare rumtemperatur-maser, der fungerer tæt på kvantegrænsen, men lille og let nok til at være bærbar.

"Portabilitet er nøglen til at tilskynde flere mennesker til at bruge denne enhed. Det gør hele forskellen, når nogen kan holde en enhed og nemt trykke på en kontakt."

Udvikling af designet

En af holdets største udfordringer var at miniaturisere pumpekilden. Mens et materiale til rumtemperaturforstærkning eliminerede behovet for afkøling, skulle eksisterende masere stadig bruge en stor højenergipumpe.

Dr. Daan Arroo, en anden forfatter på papiret, forklarer:"Du skal tænke over, hvad der er helt afgørende, når du laver en maser på størrelse med en skoæske!

"For at forstærke mikrobølger skal pentacen-molekylerne "pumpes" ved hjælp af pulser af synligt lys, der placerer dem i en exciteret tilstand. Energien af ​​disse pulser afhænger af materialeegenskaberne af den organiske krystal, hvori pentacen-molekylerne findes.

"Vores største udfordring var at reducere den nødvendige pulsenergi til et niveau, der er lavt nok til, at en kompakt pulserende laser kunne pumpe maseren."

Fremtidens Masere

Mens skoæske-maseren er meget mindre end den tidligere generation af pentacen-masere, sigter forskerne efter at miniaturisere designet yderligere.

Dr. Arroo foreslår, "Det kan være muligt at erstatte laseren med en mindre LED-baseret lyskilde, hvis vi kan reducere den energi, der kræves til at pumpe molekylerne."

"Vi overvejer også, hvordan en diamantmaser, som også kan fungere ved stuetemperatur, kan miniaturiseres til en bærbar form."

Diamantmasere kan fungere kontinuerligt, i modsætning til pulserende drift af pentacen-masere, hvilket kan føre til flere anvendelser, hvis vi kan udvikle denne type masere.

Dr. Ng tilføjer:"Vi har vist, at vi med succes kan miniaturisere pentacen-maseren. Pentacen-maseren er ekstremt nyttig; den kan dog ikke tilbyde en kontinuerlig stråle - i modsætning til diamantmasere.

"Vores næste opgave er at miniaturisere rumtemperaturmasere med forskellige forstærkningsmedier såsom diamant."

Flere oplysninger: Wern Ng et al., "Maser-in-a-shoebox":En bærbar plug-and-play maser-enhed ved stuetemperatur og nul magnetfelt, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0181318

Journaloplysninger: Anvendt fysikbreve

Leveret af Imperial College London - Department of Materials