I ricercatori del Dipartimento dei Materiali dell'Imperial College di Londra hanno sviluppato un nuovo maser portatile che può avere le dimensioni di una scatola da scarpe.
L'Imperial College di Londra ha aperto la strada alla scoperta dei maser a stato solido a temperatura ambiente nel 2012, evidenziando la loro capacità di amplificare segnali elettrici estremamente deboli e dimostrare stabilità ad alta frequenza. Questa è stata una scoperta significativa perché i segnali a microonde possono attraversare l'atmosfera terrestre più facilmente rispetto ad altre lunghezze d'onda della luce. Inoltre, le microonde hanno la capacità di penetrare attraverso il corpo umano, un'impresa non realizzabile dai laser.
I maser hanno vaste applicazioni nei sistemi di telecomunicazione, dalle reti di telefonia mobile ai sistemi di navigazione satellitare. Hanno anche un ruolo chiave nel progresso dell’informatica quantistica e nel miglioramento delle tecniche di imaging medico, come le macchine per la risonanza magnetica. Si tratta in genere di apparecchiature fisse, grandi e ingombranti che si trovano solo nei laboratori di ricerca.
Un nuovo studio ha trovato un modo per rendere i maser significativamente più compatti e portatili. Il nuovo dispositivo, che pesa solo pochi chilogrammi e ha le dimensioni di una scatola da scarpe, può amplificare i segnali a microonde a un costo accessibile. Si basa su un materiale di guadagno pentacene, una catena di cinque anelli benzenici che possono "massarsi" a temperatura ambiente.
Dr. Wern Ng, autore dell'articolo pubblicato su Applied Physics Letters , ha affermato:"I maser hanno sempre avuto bisogno di temperature molto fredde e di solito avevano bisogno di vuoto, il che li rendeva molto pesanti.
"Siamo riusciti a ridurre il maser a soli 5 chilogrammi, senza bisogno di raffreddamento, senza bisogno di vuoto, ed è tutto allo stato solido.
"Ciò che distingue il maser portatile dai progetti precedenti è che il maser a scatola da scarpe è il primo maser portatile a temperatura ambiente, che funziona vicino al limite quantico ma sufficientemente piccolo e leggero da essere portatile.
"La portabilità è fondamentale per incoraggiare più persone a utilizzare questo dispositivo. Fa la differenza quando qualcuno può tenere in mano un dispositivo e premere facilmente un interruttore."
Una delle sfide più grandi del team è stata la miniaturizzazione della fonte della pompa. Mentre un materiale che aumentava la temperatura ambiente eliminava la necessità di raffreddamento, i maser esistenti dovevano comunque utilizzare una grande pompa ad alta energia.
Il dottor Daan Arroo, un altro autore dell'articolo, spiega:"Bisogna pensare a ciò che è assolutamente essenziale quando si realizza un maser delle dimensioni di una scatola da scarpe!
"Per amplificare le microonde, le molecole di pentacene devono essere "pompate" mediante impulsi di luce visibile che le pongono in uno stato eccitato. L'energia di questi impulsi dipende dalle proprietà materiali del cristallo organico in cui si trovano le molecole di pentacene.
"La nostra sfida più grande è stata ridurre l'energia dell'impulso richiesta a un livello sufficientemente basso da consentire a un laser pulsato compatto di pompare il maser."
Sebbene il maser per scatole da scarpe sia molto più piccolo della generazione precedente di maser al pentacene, i ricercatori mirano a miniaturizzare ulteriormente il design.
Il dottor Arroo suggerisce:"Potrebbe essere possibile sostituire il laser con una sorgente luminosa più piccola basata su LED se riusciamo a ridurre l'energia richiesta per pompare le molecole.
"Stiamo anche valutando come miniaturizzare in una forma portatile un maser al diamante, che può funzionare anche a temperatura ambiente."
I maser al diamante possono funzionare in modo continuo, al contrario del funzionamento a impulsi dei maser al pentacene, il che potrebbe portare a più applicazioni se riuscissimo a sviluppare questo tipo di maser.
Il dottor Ng aggiunge:"Abbiamo dimostrato che possiamo miniaturizzare con successo il maser al pentacene. Il maser al pentacene è estremamente utile; tuttavia, non può offrire un raggio continuo, a differenza dei maser al diamante.
"Il nostro prossimo compito è miniaturizzare i maser a temperatura ambiente con diversi mezzi di guadagno come il diamante."
Ulteriori informazioni: Wern Ng et al, "Maser-in-a-shoebox":un dispositivo maser portatile plug-and-play a temperatura ambiente e campo magnetico zero, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0181318
Informazioni sul giornale: Lettere di fisica applicata
Fornito da Imperial College London - Department of Materials
