Ученые из Вюрцбургского университета (Германия) разработали первый мазер на основе карбида кремния, работающий при комнатной температуре. Устройство генерирует и усиливает микроволновое излучение, не требуя сложных систем охлаждения. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
Мазеры были изобретены раньше лазеров и работают по схожему физическому принципу. Они генерируют и усиливают микроволновое излучение вместо видимого света. Долгое время их практическое применение ограничивалось строгими техническими требованиями. Устройства могли функционировать только при температурах, близких к абсолютному нулю, или в условиях глубокого вакуума.
В новой работе исследователи использовали карбид кремния, который уже широко применяется в силовой электронике. В кристаллической решетке этого материала искусственно создали дефекты путем удаления отдельных атомов кремния. Такие пустоты обладают квантовыми спиновыми состояниями, которые можно возбуждать с помощью оптического излучения. Использование доступного полупроводника делает возможным серийное производство компактных мазеров.
Принцип работы устройства
При воздействии света спины в карбиде кремния переходят в возбужденное состояние. В результате они начинают излучать когерентные микроволны и способны усиливать проходящие сигналы. Для поддержания стабильной работы системы требуется специальный резонатор, выполняющий функцию своеобразных качелей. Инженерам удалось повысить добротность резонатора до уровня, обеспечивающего непрерывную генерацию при комнатной температуре.
Разработанная установка способна выступать в роли малошумящего усилителя микроволновых сигналов. Подобные компоненты необходимы для работы систем связи, базовых станций сотовых сетей, спутников и радиотелескопов. До сих пор в этих сферах приходилось обходиться без мазерных технологий из-за их громоздкости. Внедрение новых полупроводниковых усилителей повысит качество передачи данных на большие расстояния.
Измерение магнитных полей
Новый мазер обладает высокой стабильностью частоты, что позволяет использовать его для создания чувствительных магнитометров. Устройство работает как осциллятор, частота которого напрямую зависит от напряженности окружающего магнитного поля. При усилении внешнего поля частота генерируемых микроволн пропорционально возрастает. По оценкам авторов, чувствительность прибора достигает 20 пикотесла, что в миллион раз слабее магнитного поля Земли.
Такая точность измерений открывает перспективы для развития независимых от спутников систем навигации и новой метрологической аппаратуры. В будущем физики планируют создать мазерные диоды с электрическим управлением, интегрированные непосредственно в микросхемы. Теоретические расчеты показывают, что спиновые состояния в карбиде кремния можно возбуждать электрическим током. Это позволит отказаться от оптической накачки и значительно уменьшить габариты устройств.
Ранее Наука Mail рассказывала, что новосибирские физики нашли способ управлять излучением семи лазеров в волокне.