Pour les communications terrestres courantes, cette technologie est rarement utilisée car elle ne fonctionne qu'à basse température. Cependant, une équipe de recherche du Centre londonien de nanotechnologie et de l'Université de la Sarre a mis au point un maser utilisable à température ambiante. Leurs travaux sont décrits dans la revue scientifique « Nature », le 22 mars 2018.
L'abréviation « maser » signifie « amplification micro-ondes par émission stimulée de rayonnement », c'est-à-dire une amplification des micro-ondes générée par l'émission d'un rayonnement stimulé. Le principe physique du maser est similaire à celui du laser, dont le nom signifie « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ». Tous deux génèrent un rayonnement électromagnétique cohérent à une longueur d'onde/fréquence unique. « Jusqu'à présent, les masers ont été principalement utilisés pour les communications spatiales, par exemple pour maintenir le contact radio avec les sondes Voyager. Comme les masers peuvent amplifier des signaux très faibles avec un bruit quasi nul, ils présentent un intérêt certain pour les futures technologies de communication sur Terre », explique Christopher Kay, professeur de chimie physique et de didactique de la chimie à l'université de la Sarre.
L'un des inconvénients de la technologie maser actuelle est qu'elle nécessite des températures très basses, qui ne peuvent être atteintes qu'avec de l'hélium liquide. En collaboration avec d'autres chercheurs du Centre londonien de nanotechnologie, Christopher Kay a mis au point un maser fonctionnant à température ambiante. Le principe de cette technologie repose sur l'utilisation d'un résonateur micro-ondes en saphir, maintenu dans un champ magnétique. Ce résonateur limite et concentre le rayonnement micro-ondes, permettant ainsi son amplification stable en phase.
Le rayonnement est généré par l'excitation optique de centres « lacune d'azote » dans un diamant. Contrairement aux diamants purs, qui ne contiennent que des atomes de carbone et sont donc incolores, dans le diamant utilisé ici, un petit nombre d'atomes de carbone sont remplacés par un atome d'azote. L'espace adjacent à l'atome d'azote, qui contient normalement un atome de carbone, est vide. « Ce défaut est appelé centre NV (lacune d'azote) et confère au diamant sa couleur violette. Il possède une multitude de propriétés quantiques remarquables et présente donc un intérêt pour le développement de nouvelles technologies, notamment pour les nano-applications », explique Christopher Kay. Par exemple, un maser peut être utilisé pour des mesures plus précises dans l'exploration spatiale ou en nanotechnologie, souvent appelée nanométrologie. « Lorsque des signaux de faible intensité sont reçus, par exemple sur de longues distances, et doivent être amplifiés sans bruit, le maser ouvre de nouvelles perspectives », conclut Kay.
« La communauté scientifique avait déjà suggéré que les diamants à centre NV pourraient servir de base à un maser, mais la clé de notre succès réside dans l'intégration d'un diamant dans un résonateur en saphir », explique Jonathan Breeze, physicien à l'Imperial College de Londres et auteur principal de l'article paru dans Nature. Il ajoute : « L'un des aspects intéressants de cette technologie est que la fréquence de sortie peut être ajustée simplement en modifiant le champ magnétique appliqué. Le dispositif actuel fonctionne à une fréquence de 9 GHz (9 milliards de cycles par seconde). À titre de comparaison, les téléphones portables fonctionnent autour de 2 GHz. Grâce aux technologies magnétiques disponibles sur le marché, notre maser fonctionnant à température ambiante peut atteindre des fréquences allant jusqu'à 200 GHz. ».
Les masers utilisant des photons optiques pour générer des photons micro-ondes, les chercheurs espèrent que leurs travaux ouvriront de nouvelles perspectives dans les domaines de la technologie du diamant quantique, de l'imagerie par résonance magnétique et des communications.
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