“微波激射器”(maser)是“受激辐射微波放大”(microwave amplification by stimulated emission of radiation)的缩写,意指通过受激辐射产生的微波放大。微波激射器的物理原理与激光类似,激光的名称代表“受激辐射光放大”(light amplification by stimulation emission of radiation)。两者都产生单一波长/频率的相干电磁辐射。萨尔兰大学物理化学与化学教育教授克里斯托弗·凯表示:“迄今为止,微波激射器主要用于太空通信,例如,用于与旅行者号探测器保持无线电联系。由于微波激射器能够放大非常微弱的信号且几乎没有噪声,因此它在未来地球通信技术中具有应用前景。”.
现有微波激射器技术的一个缺点是需要极低的温度,而这只能通过液氦来实现。克里斯托弗·凯与伦敦纳米技术中心的其他研究人员合作,开发了一种可以在室温下工作的微波激射器。这项技术的关键在于使用置于磁场中的蓝宝石微波谐振器。谐振器能够限制并集中微波辐射,从而实现稳定的同相放大。.
这种辐射本身是通过光学激发金刚石中的“氮空位”中心产生的。与仅由碳原子组成、因此无色的纯金刚石不同,这里使用的金刚石中,少量碳原子被氮原子取代。通常容纳碳原子的氮原子旁边的空间是空的。“这种缺陷被称为NV(氮空位)中心,它赋予金刚石紫色。它具有许多卓越的量子特性,因此对新技术的发展,特别是纳米应用领域,具有重要意义,”克里斯托弗·凯解释道。例如,微波激射器可用于太空探索或纳米技术(通常称为纳米计量学)中的更精确测量。“在任何需要接收低强度信号(例如,远距离传输)且需要在不增加噪声的情况下放大信号的场合,微波激射器都开辟了新的可能性,”凯说道。.
“科学界此前已有人提出,以NV色心钻石为基础可以制造微波激射器,但我们成功的关键在于将钻石置于蓝宝石谐振腔中,”《自然》杂志文章的第一作者、伦敦帝国理工学院物理学家乔纳森·布里兹解释道。他补充说:“这项技术的一个有趣之处在于,只需改变施加的磁场即可调节输出频率。目前的装置工作频率为9 GHz(每秒90亿次循环)。相比之下,移动电话的工作频率在2 GHz范围内。利用市售的磁技术,我们的室温微波激射器可以实现高达200 GHz的频率。”.
由于微波激射器利用光学光子产生微波光子,研究人员希望他们的工作能够为量子金刚石技术、磁共振成像和通信领域开辟新的途径。.
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