Onderzoekers van het Department of Materials van het Imperial College London hebben een nieuwe draagbare maser ontwikkeld die zo groot is als een schoenendoos.

Imperial College London was in 2012 een pionier in de ontdekking van solid-state masers op kamertemperatuur, waarbij hun vermogen werd benadrukt om extreem zwakke elektrische signalen te versterken en hoogfrequente stabiliteit aan te tonen. Dit was een belangrijke ontdekking omdat microgolfsignalen gemakkelijker door de atmosfeer van de aarde kunnen gaan dan andere golflengten van licht. Bovendien hebben microgolven het vermogen om door het menselijk lichaam heen te dringen, een prestatie die niet haalbaar is met lasers.

Masers hebben uitgebreide toepassingen in telecommunicatiesystemen:van mobiele telefoonnetwerken tot satellietnavigatiesystemen. Ze spelen ook een sleutelrol bij het bevorderen van quantum computing en het verbeteren van medische beeldvormingstechnieken, zoals MRI-machines. Het zijn doorgaans grote, omvangrijke, stationaire apparaten die alleen in onderzoekslaboratoria te vinden zijn.

Een nieuwe studie heeft een manier gevonden om masers aanzienlijk compacter en draagbaarder te maken. Het nieuwe apparaat, dat slechts een paar kilo weegt en zo groot is als een schoenendoos, kan microgolfsignalen versterken tegen een betaalbare prijs. Het is gebaseerd op een pentaceenversterkingsmateriaal, een keten van vijf benzeenringen die bij kamertemperatuur kunnen "masen".

Dr. Wern Ng, auteur van het artikel gepubliceerd in Applied Physics Letters , verklaarde:"Masers hadden altijd zeer lage temperaturen nodig, en meestal hadden ze stofzuigers nodig, waardoor ze erg zwaar waren.

"We zijn erin geslaagd de maser te verkleinen tot slechts 5 kilogram, zonder dat er koeling nodig is, geen vacuüm nodig is, en het is allemaal solid-state.

"Wat de draagbare maser onderscheidt van eerdere ontwerpen is dat de schoenendoosmaser de eerste draagbare maser op kamertemperatuur is, die dicht bij de kwantumlimiet werkt, maar klein en licht genoeg is om draagbaar te zijn.

"Draagbaarheid is de sleutel om meer mensen aan te moedigen dit apparaat te gebruiken. Het maakt een groot verschil wanneer iemand een apparaat kan vasthouden en gemakkelijk een schakelaar kan omzetten."

Het ontwerp ontwikkelen

Een van de grootste uitdagingen van het team was het miniaturiseren van de pompbron. Terwijl een materiaal dat de kamertemperatuur kon verhogen de noodzaak voor koeling elimineerde, moesten bestaande masers nog steeds een grote, energieke pomp gebruiken.

Dr. Daan Arroo, een andere auteur op het papier, legt uit:"Je moet nadenken over wat absoluut essentieel is bij het maken van een maser ter grootte van een schoenendoos!

"Om microgolven te versterken moeten de pentaceenmoleculen worden "gepompt" met behulp van pulsen van zichtbaar licht die ze in een aangeslagen toestand brengen. De energie van deze pulsen hangt af van de materiaaleigenschappen van het organische kristal waarin de pentaceenmoleculen worden aangetroffen.

"Onze grootste uitdaging was het terugbrengen van de vereiste pulsenergie tot een niveau dat laag genoeg was om met een compacte gepulseerde laser de maser te kunnen pompen."

Masers van de toekomst

Hoewel de schoenendoos-maser veel kleiner is dan de vorige generatie pentaceen-masers, willen onderzoekers het ontwerp verder miniaturiseren.

Dr. Arroo suggereert:"Het kan mogelijk zijn om de laser te vervangen door een kleinere LED-gebaseerde lichtbron als we de energie die nodig is voor het pompen van de moleculen kunnen verminderen.

"We overwegen ook hoe een diamantmaser, die ook bij kamertemperatuur kan werken, kan worden geminiaturiseerd tot een draagbare vorm."

Diamantmasers kunnen continu werken, in tegenstelling tot de gepulseerde werking van pentaceenmasers, wat tot meer toepassingen zou kunnen leiden als we dit type maser kunnen ontwikkelen.

Dr. Ng voegt hieraan toe:"We hebben aangetoond dat we de pentaceenmaser met succes kunnen miniaturiseren. De pentaceenmaser is buitengewoon nuttig, maar kan geen continue straal bieden, in tegenstelling tot diamanten masers.

"Onze volgende taak is het miniaturiseren van masers op kamertemperatuur met verschillende versterkingsmedia zoals diamant."

Meer informatie: Wern Ng et al, "Maser-in-a-schoenendoos":een draagbaar plug-and-play maser-apparaat bij kamertemperatuur en zonder magnetisch veld, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0181318

Journaalinformatie: Brieven over toegepaste natuurkunde

Aangeboden door Imperial College London - Department of Materials