Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Julius-Maximilians του Würzburg ανέπτυξαν έναν maser βασισμένο σε καρβίδιο του πυριτίου, ο οποίος μπορεί να λειτουργεί συνεχώς ακόμη και πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου. Το επίτευγμα ανοίγει τον δρόμο για πρακτικές εφαρμογές μιας τεχνολογίας που μέχρι σήμερα απαιτούσε συχνά ιδιαίτερα χαμηλές θερμοκρασίες.
Από το laser στον maser
Ο όρος maser προέρχεται από τα αρχικά των λέξεων Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation και περιγράφει μια συσκευή που παράγει και ενισχύει συνεκτική ακτινοβολία μικροκυμάτων. Λειτουργεί με παρόμοια αρχή με ένα laser, το οποίο παράγει φως.
Η ομάδα χρησιμοποίησε καρβίδιο του πυριτίου, ένα υλικό που ήδη αξιοποιείται ευρέως στα ηλεκτρονικά ισχύος. Στο κρυσταλλικό του πλέγμα δημιουργήθηκαν ελεγχόμενες ατομικές ατέλειες, οι οποίες διαθέτουν συγκεκριμένες κβαντικές καταστάσεις spin.
Η λειτουργία με φως και μαγνητικό πεδίο
Οι ερευνητές διεγείρουν τα spin με φως, οδηγώντας τα σε κατάσταση όπου μπορούν να εκπέμπουν ή να ενισχύουν συνεκτική ακτινοβολία μικροκυμάτων. Για να ενισχυθεί αρκετά το φαινόμενο χρησιμοποιείται ένας συντονιστής, ο οποίος επιτρέπει στις μικροκυματικές ταλαντώσεις της κατάλληλης συχνότητας να συσσωρεύονται.
Με τη βελτιστοποίηση του συντονιστή, η ομάδα κατάφερε να επιτύχει συνεχή λειτουργία του maser σε θερμοκρασία δωματίου.
Ενισχυτής χαμηλού θορύβου και αισθητήρας
Η νέα συσκευή δεν αποτελεί μόνο πηγή μικροκυμάτων. Πειράματα και προσομοιώσεις έδειξαν ότι μπορεί να λειτουργήσει και ως ενισχυτής χαμηλού θορύβου, κάτι που θα μπορούσε να έχει εφαρμογές στις τηλεπικοινωνίες και σε συστήματα μέτρησης.
Παράλληλα, η υψηλή σταθερότητα συχνότητας του maser επιτρέπει ιδιαίτερα ακριβείς μετρήσεις μαγνητικών πεδίων. Οι ερευνητές εκτιμούν ευαισθησία περίπου 20 picotesla σε θερμοκρασία δωματίου, δηλαδή περίπου ένα εκατομμύριο φορές ασθενέστερη από το μαγνητικό πεδίο της Γης.
Προς maser σε μορφή chip
Η τεχνολογία θα μπορούσε στο μέλλον να αξιοποιηθεί στη μετρολογία, στις επικοινωνίες και σε συστήματα πλοήγησης χωρίς GPS. Μακροπρόθεσμα, οι επιστήμονες οραματίζονται ηλεκτρικά διεγειρόμενες διόδους maser ενσωματωμένες σε chip, καθώς τα spin στο καρβίδιο του πυριτίου μπορούν θεωρητικά να διεγερθούν και ηλεκτρικά.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature Communications και αποτελεί σημαντικό βήμα προς μικρότερες και πρακτικότερες συσκευές maser που θα μπορούν να λειτουργούν υπό καθημερινές συνθήκες.