Maailman ensimmäinen puolijohdemaseri

Würzburg-Dresdenin fysiikan huippuyksikkö ctd.qmat:ssa on toteutettu maailman ensimmäinen jatkuvasti toimiva, puolijohteinen piikarbidiin perustuva maseri.

Lasereista on tullut välttämättömiä arkielämässä ja tutkimuksessa, ja niiden sovellukset vaihtelevat tiedonsiirrosta mittaustekniikan kautta valmistukseen. Masereita ei sitä vastoin ole toistaiseksi juurikaan sovellettu käytännön sovelluksiin.

Lyhenne MASER on lyhenne sanoista Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (mikroaaltojen vahvistus stimuloidulla säteilyn emissiolla)

Suuresta potentiaalistaan huolimatta maserit ovat tähän mennessä olleet enimmäkseen riippuvaisia teknisesti vaativista käyttöolosuhteista, kuten erittäin alhaisista lämpötiloista. Tämä on haitannut niiden laajaa käyttöä.

Ratkaisun perustana ovat puolijohteessa olevat spinit.

”Spinejä hyödyntämällä muutamme piikarbidin materiaaliksi, joka on aktiivisessa vuorovaikutuksessa mikroaaltojen kanssa”, selittää tohtori Andreas Gottscholl . ”Valon avulla voimme saattaa spinit virittyneeseen tilaan, jossa ne emittoivat koherenttia mikroaaltosäteilyä tai jopa vahvistavat sitä.”

Uusi piikarbidimaseri voi toimia paitsi mikroaaltolähteenä: alustavissa kokeissa ja simulaatioissa tiimi osoitti sen potentiaalin myös vähäkohinaisena vahvistimena . ”Tällaiset vahvistimet ovat välttämättömiä esimerkiksi heikoille signaaleille tietoliikenne- ja mittaustekniikassa”, selittää tutkimuksen vanhempi kirjoittaja, yksityisdosentti, tohtori Andreas Sperlich. ”Älypuhelimet, matkapuhelinten tukiasemat, tietokoneet ja satelliitit käyttävät kaikki useita mikroaaltosignaalivahvistimia, joiden on tähän mennessä täytynyt toimia ilman maseriteknologiaa.”

Maseri avaa myös uusia mahdollisuuksia erittäin tarkkoihin magneettikentän mittauksiin. Sen poikkeuksellisen korkea taajuusstabiilius mahdollistaa pienimpienkin magneettikentän muutosten havaitsemisen suurella herkkyydellä. Tässä yhteydessä maseri toimii kuin tikittävä kello – oskillaattori – jonka taajuus riippuu voimakkaasti ympäröivästä magneettikentästä. Mitä voimakkaampi kenttä, sitä nopeammin kello "tikittää".

Tutkijat arvioivat magneettikentän herkkyyden olevan noin 20 pikoteslaa huoneenlämmössä – noin miljoona kertaa heikompi kuin Maan magneettikenttä. Tällä tarkkuustasolla voisi olla merkitystä tulevaisuuden mittaussovelluksissa ja jopa GPS-riippumattomassa navigoinnissa.

Pitkällä aikavälillä tutkijat visioivat sähköisesti ohjattuja maseridiodeja, jotka on integroitu sirulle . Tätä tukee se, että piikarbidin spin-tilat voidaan periaatteessa virittää paitsi optisesti myös sähköisesti.

Aiheesta aiemmin:

Tehokas lasermainen mikroaaltolähde