Forskare vid Imperial College Londons Department of Materials har utvecklat en ny bärbar maser som kan passa storleken på en skokartong.
Imperial College London var banbrytande för upptäckten av rumstemperatur-solid-state-masrar 2012, vilket framhävde deras förmåga att förstärka extremt svaga elektriska signaler och demonstrera högfrekvent stabilitet. Detta var en betydande upptäckt eftersom mikrovågssignaler kan passera genom jordens atmosfär lättare än andra våglängder av ljus. Dessutom har mikrovågor förmågan att tränga igenom människokroppen, en bedrift som inte kan uppnås med laser.
Masers har omfattande tillämpningar inom telekommunikationssystem – allt från mobiltelefonnät till satellitnavigeringssystem. De har också en nyckelroll i att utveckla kvantberäkningar och förbättra medicinska avbildningstekniker, som MRI-maskiner. De är vanligtvis stor, skrymmande, stationär utrustning som bara finns i forskningslaboratorier.
En ny studie har hittat ett sätt att göra masers betydligt mer kompakta och bärbara. Den nya enheten, som bara väger några kilo och är lika stor som en skokartong, kan förstärka mikrovågssignaler till en överkomlig kostnad. Den förlitar sig på ett pentacenförstärkningsmaterial, en kedja av fem bensenringar som kan "masa" vid rumstemperatur.
Dr Wern Ng, författare till artikeln publicerad i Applied Physics Letters , sade, "Masrar behövde alltid mycket kalla temperaturer, och de behövde vanligtvis vakuum, vilket gjorde dem mycket tunga.
"Vi har lyckats krympa masern till endast 5 kg, utan behov av kylning, inget behov av vakuum, och allt är i solid state.
"Vad som skiljer den bärbara masern från tidigare design är att skokartongmasern är den första bärbara rumstemperaturmasern, som fungerar nära kvantgränsen men liten och lätt nog att vara bärbar.
"Bärbarhet är nyckeln till att uppmuntra fler människor att använda den här enheten. Det gör stor skillnad när någon kan hålla i en enhet och enkelt trycka på en knapp."
En av teamets största utmaningar var att miniatyra pumpkällan. Medan ett material som ökar i rumstemperatur eliminerade behovet av kylning, var befintliga masers fortfarande tvungna att använda en stor högenergipump.
Dr. Daan Arroo, en annan författare på tidningen, förklarar, "Du måste tänka på vad som är absolut nödvändigt när du gör en maser i storleken som en skokartong!
"För att förstärka mikrovågor måste pentacenmolekylerna "pumpas" med hjälp av pulser av synligt ljus som placerar dem i ett exciterat tillstånd. Energin hos dessa pulser beror på materialegenskaperna hos den organiska kristallen i vilken pentacenmolekylerna finns.
"Vår största utmaning var att minska den erforderliga pulsenergin till en nivå som är tillräckligt låg för att en kompakt pulsad laser skulle kunna pumpa masern."
Medan skokartongmasern är mycket mindre än den tidigare generationens pentacenmaser, siktar forskare på att miniatyrisera designen ytterligare.
Dr Arroo föreslår, "Det kan vara möjligt att ersätta lasern med en mindre LED-baserad ljuskälla om vi kan minska energin som krävs för att pumpa molekylerna."
"Vi överväger också hur en diamantmaser, som också kan arbeta i rumstemperatur, kan miniatyriseras till en bärbar form."
Diamantmasrar kan arbeta kontinuerligt, i motsats till pulserande drift av pentacenmasrar, vilket kan leda till fler tillämpningar om vi kan utveckla denna typ av maser.
Dr. Ng tillägger, "Vi har visat att vi framgångsrikt kan miniatyrisera pentacenmasern. Pentacenmasern är extremt användbar, men den kan inte erbjuda en kontinuerlig stråle - till skillnad från diamantmaser.
"Vår nästa uppgift är att miniatyrisera rumstemperaturmasrar med olika förstärkningsmedia som diamant."
Mer information: Wern Ng et al, "Maser-in-a-shoebox":En bärbar plug-and-play-maserenhet vid rumstemperatur och noll magnetfält, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0181318
Journalinformation: Tillämpade fysikbrev
Tillhandahålls av Imperial College London - Department of Materials
