Лазерный мир

Исследователи Пекинского технологического института представили первый радиочастотный мазер с компактным резонатором на печатной плате, способный работать при комнатной температуре и без внешнего магнитного поля. Устройство создаёт стабильный сигнал на частоте 106,62 МГц, а после изменения настроек превращается в чувствительный датчик слабых микроволновых магнитных полей. Работа опубликована в виде препринта и пока не прошла независимое научное рецензирование.

Мазер можно назвать радиочастотным родственником лазера. Лазер создаёт согласованное световое излучение, а мазер использует тот же физический принцип для генерации или усиления радиочастотных и микроволновых сигналов. Такие устройства ценят за стабильную частоту, узкую полосу сигнала и низкий уровень собственного шума. Благодаря этому мазеры могут замечать слабые электромагнитные сигналы, которые трудно отделить от помех с помощью обычной электроники.

Однако практическому применению долго мешали размеры установок. Первым мазерам требовалось охлаждение до низких температур, а более поздние модели, способные работать при комнатной температуре, зависели от крупных металлических или диэлектрических резонаторов. На низких частотах размеры таких элементов дополнительно увеличиваются.

Китайские физики уменьшили резонатор мазера

Команда Пекинского технологического института заменила крупную резонансную камеру компактным индуктивно-ёмкостным контуром. Его разместили на печатной плате, а внутрь небольшой полой катушки поместили кристалл паратерфенила с молекулами пентацена. Кристалл освещают импульсным лазером. После оптической накачки молекулы переходят в возбуждённое состояние и начинают усиливать радиочастотный сигнал.

Авторы называют устройство мазером «на чипе», однако речь пока не идёт о полностью автономной микросхеме. На плате размещён компактный резонатор, тогда как экспериментальная установка по-прежнему включает внешний лазер, усилитель, контур обратной связи и измерительное оборудование. 

Устройство работает на частоте 106,62 МГц. При одних настройках оно самостоятельно генерирует стабильный радиочастотный сигнал, при других — реагирует на слабое внешнее магнитное поле.

Переключение происходит с помощью управления потерями в резонаторе. Когда энергия хорошо удерживается внутри контура, система работает как генератор. После увеличения потерь самостоятельные колебания прекращаются, и мазер становится узкополосным приёмником.

Для чего нужен компактный мазер

Практическая ценность разработки связана не только с уменьшением оборудования. Мазер одновременно может быть источником стабильного радиосигнала и чувствительным усилителем слабых магнитных полей. Один из возможных вариантов применения — установки ядерного магнитного резонанса. В таких экспериментах приходится регистрировать очень слабый отклик исследуемого вещества. Малошумящий усилитель способен помочь выделить полезный сигнал среди фоновых помех.

При этом разработка не заменяет целый аппарат МРТ или ЯМР. Она может стать одним из компонентов измерительной системы — источником радиочастотного сигнала или чувствительным приёмником.

В режиме генератора мазер способен применяться в точных радиочастотных и измерительных приборах. Стабильный сигнал с узкой полосой нужен для калибровки оборудования, лабораторных экспериментов и работы электронных датчиков. 

Ещё одно направление — компактные магнитометры. Такие приборы измеряют магнитные поля и используются в научных исследованиях, диагностике оборудования и изучении физических свойств материалов. Меньший резонатор позволит в будущем размещать мазер ближе к исследуемому объекту и включать его в более компактные лабораторные установки. Однако для создания переносного прибора инженерам ещё предстоит уменьшить лазер, питание и управляющую электронику.

Насколько чувствительным оказался новый датчик

В режиме приёмника система показала спектральную чувствительность 10,38 фемтотесла на корень из герца. Авторы утверждают, что это на несколько порядков лучше результатов ряда микроволновых магнитометров на основе NV-центров в алмазе. Этот показатель нельзя понимать как возможность мгновенно обнаруживать любое поле величиной 10 фемтотесла. Реальный предел измерения зависит от ширины полосы, времени накопления сигнала, качества экранирования и уровня внешних помех.

Тем не менее эксперимент показывает, что уменьшение резонатора не лишило мазер его главного преимущества — способности работать с чрезвычайно слабыми радиочастотными сигналами. Авторы также отмечают, что рабочую частоту можно менять подбором индуктивности и ёмкости контура. Резонатор и система обратной связи совместимы с технологиями производства печатных плат, что создаёт предпосылки для дальнейшей интеграции оборудования. Устройство работает импульсами и требует внешней оптической накачки. Кроме того, заявленные результаты ещё должны пройти независимую проверку и научное рецензирование.

Однако эксперимент подтвердил, что радиочастотный мазер, работающий при комнатной температуре, больше не обязан зависеть от массивного резонатора. Если предложенную архитектуру удастся дополнительно уменьшить, она может стать основой для компактных магнитометров, приборов ядерного магнитного резонанса и стабильных источников радиосигнала.

Источник: https://aramil.life/life/kitajskie_fiziki_sozdali_pervyj_radiochastotnyj_mazer_na_kompaktnoj_pechatnoj_plate