Diamant giver laserens storebror – maseren – nye muligheder

Maseren består af en diamant i en safirring. Den belyses med grønt laserlys, hvorved mikrobølgestråling udsendes ved 9,2 GHz. Det røde lys er en fluorescens fra de såkaldte NV-centre, der findes i diamanten. Illustration: Jonathan Breeze

Laseren har en storebror, maseren, der blev født i 1954 – seks år før laseren.

Masere benyttes i dag bl.a. i forbindelse med rumfartsteknologi, men den har ikke fundet de store brede anvendelser som lillebroderen, idet masere kun virker ved højt vakuum og ved lave temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt.

Der er nu håb om, at det kan blive ændret, for en britisk forskergruppe fra Imperial College London ledet af Jonathan Breeze har i en artikel i Nature præsenteret en simpel maser, der virker ved stuetemperatur.

Diamantæra

Forskergruppen har gennem flere år arbejdet på at udvikle masere, der fungerer ved stuetemperatur, og som potentielt kan finde anvendelse inden for medicin, sensorteknologi og kvanteteknologi.

For seks år siden lavede de rent faktisk også en maser, der virker ved stuetemperatur, men kun ved udsendelse af stråling i pulser.

Nu har de en maser ved stuetemperatur, der udsender kontinuert stråling, og det er meget mere interessant.

Gennembruddet opstod, da forskerne efter teoretiske beregninger kom frem til, at diamanter med defekter i form af såkaldte NV-centre, hvor nitrogenatomer udfylder pladser enkelte steder i kulstofstrukturen, burde være løsningen på problemet. At det var korrekt, viste de efterfølgende eksperimenter.

I en kommentar i Nature skriver Ren-Bao Liu fra The Chinese University of Hong Kong, at masere ved stuetemperatur vil være meget anvendelige inden for måleteknik og kommunikation, og »takket være Breeze og hans kolleger, kan vi nu forudse en diamantæra for masere.«

Der udestår selvfølgelig en del forsknings- og udviklingsarbejde fra det proof-of-concept, som forskningsartiklen repræsenterer, til de praktiske anvendelser.

Effekten er eksempelvis stadig forholdsvis lav, men bemærkelsesværdigt er det, at stabiliteten af outputtet var stabil i op til 10 timers kontinuert drift.

Brugen af diamant med NV-centre er desuden særlig interessant, fordi det er et materiale, som også studeres i mange andre sammenhænge bl.a. inden for kvanteteknologi.

Læs også: Danske fysikere udnytter superposition-trick til at spotte kræft

Læs også: Ultrafølsom magnetisk sensor fra DTU udnytter defekter i diamanter

.

Den nye maser består af en kobberskal, der omgiver en diamant, der har defekter i form af NV-centre (nitrogen vakancer). Hver af disse defekter har to uparrede elektroner, hvis magnetiske moment (spin) – vist med de blå pile – kan pege i én af to retninger. NV-centrene har derfor tre mulige tilstande (-1, 0, 1). Når man udsætter strukturen for et kraftigt magnetfelt, opnår man, at -1-tilstanden har lavere energi end 0-tilstanden. Med en laser kan man pumpe NV-centrene til 0-tilstanden og dermed opnå betingelsen kaldet populationsinversion, der giver forstærkning. Når defekterne henfalder fra den høje energi i 0-tilstanden til den lave energi i -1-tilstanden udsendes mikrobølgestråling med en frekvens på 9,2 GHz. Illustration: Nature

Nature har produceret denne video, der både forklarer på en simpel måde, hvordan en maser (og laser) virker, og har interviews med de forskere, der har lavet den nye maser.

Emner : Fysik