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一种不需要冷却的低噪音金刚石Maser

发布时间：2022-07-03 13:20:01编辑：来源：

自Charles1960年发明以来，激光器已成为当今晶体管或微处理器技术中无处不在的产品。在20世纪50年代早期，Townes也是激光器的激光器的发明者。它放大了无线电波，而不是光，它的工作原理，受激发射，成为激光和激光的工作原理。

微波激射器具有一个有趣的特性：它可以放大无线电信号而不会增加由电子运动引起的噪声。射电天文学家转向使用激光来放大来自遥远星系和类星体的微弱无线电信号，美国宇航局在其深空网络中使用它们与旅行者太空探测器进行通信。

然而，与激光器不同，微波激射器的应用仍然有限，主要是原子钟和计量学。一个原因是脉泽需要用液氦冷冻到接近绝对零度的温度，这大大增加了这些装置的体积。另一个原因是在20世纪60年代，低温冷却的低噪声FET微波放大器和振荡器在设计上简单灵活，能够实现极低的噪声温度。

现在，来自伦敦帝国理工学院，伦敦大学学院，伦敦玛丽女王大学和德国萨尔布吕肯的萨尔大学的一组研究人员在“自然”杂志上报道了一种不需要冷却的微波激射器，可能会将激光器带回低噪声放大器。他们使用金刚石来放大微波，而不是铷和其他气体，或红宝石蓝宝石晶体。

激光和激光中的放大是由称为受激发射的现象引起的。激光材料中的原子通过吸收来自外部光源的光子而进入更高能态或倒置状态，这一过程称为“光泵浦”。

当具有处于反转状态的电子的原子被入射光子击中时，电子将跳回到基态，发射与入射光子具有相同能量的光子，而刺激该事件的入射电子继续在其上。路线。

当与其他原子碰撞时，这两个光子的数量将翻倍。在每个后续步骤中，光子的数量将加倍，依此类推，导致通过激光的光强度呈指数增长。

微波激射器还利用导致粒子数反转的光学泵。但倒置人口中的电子占据较高的自旋状态，并且不会立即回落到基态，而是逐步下降。

“当它们级联下来时，它们很快就经历了几个阶段，但是在一个阶段它们会被卡住，然后它们在这个倒置的状态下会有相当长的寿命，”萨尔兰大学研究员克里斯托弗凯说。两个水平之间的差异对应于微波激射器发射的微波辐射的波长。

为了制造它们的激光，研究人员在一个强大的电磁铁的两极之间放置了一个毫米大小的钻石。通过改变磁铁的强度，研究人员可以调整频率。“我们已选择使用9Gigahertz(GHz)，但我们可以选择2GHz以上的任何功能来完成这项工作，”他说。

选择钻石作为激光材料是伦敦帝国理工学院JonathanBreeze博士学位的结果。他发现，电子自旋与材料晶格中原子核自旋的耦合阻止了电子自旋反转持续足够长的时间以允许光子的放大。

还已知在有机材料中，电子自旋态存活更长时间，因为它们与有机碳晶格的相互作用较小。在之前的一项实验中，研究人员选择了有机材料并五苯作为激光材料。然而，其熔点证明太低而不能抵抗泵浦激光器引起的加热，并且微波激射器只能以脉冲模式工作。

然后Breeze通过查看材料列表寻找合适的材料，消除那些具有高核旋转的材料。“我做了一些研究，发现钻石的电子自旋晶格弛豫速度比红宝石慢十亿倍，我意识到如果你仔细设计你的激光器，根本就不需要冷却，”Breeze回忆道。

虽然钻石的碳晶格是电子自旋友好的，但它们仍然必须以某种方式在钻石中引入“不成对”的电子，这些电子可以形成倒置的种群，并且可以从较低的量子态0转换到更高的状态，1，通过吸收来自泵浦激光器的光子。

为此，研究人员转向了类似于在钻石中创建量子比特的实验方法。他们通过在富氮气氛中生长金刚石，然后用电子轰击样品来引入氮原子。电子摧毁碳原子，在晶格中产生空位。

在最后一步中，金刚石在高温下退火，因此空位四处移动并靠近氮原子，形成一个称为氮空位中心的缺陷。该缺陷包含两个不成对的电子，它们可以通过吸收光子从一个自旋态切换到另一个自旋态。

与并五苯不同，金刚石可承受高温并且是良好的热导体，可以连续操作激光。

凯希望如果你要冷却微波激射器，你将获得可能与最先进的低温FET放大器竞争的噪声水平，现在用于与航天器通信。

但根据弗吉尼亚州夏洛茨维尔国家射电天文台的天文学家瑞克·费希尔说，现在还处于早期阶段：“我对于将射线技术的回击打折给射电天文学表示犹豫不决，但这种技术需要大量的发展。开始吸引射电天文学工程师的注意力。

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