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钻石为第一种实用微波激光器铺路,微波激射器

在激光器出现之前,科学家曾使用过微波激射器,后者是光学激光器的微波“表兄”。然而,尽管激光器在从望远镜到医学的许多领域中都被广泛应用,但微波激射器长期以来却只能在阴影中煎熬,这是因为它们只能在超低温或真空中工作。如今,物理学家已经利用金刚石研制出一种可以在正常条件下工作的微波激射器。

英国《自然》杂志3月21日发表了一项最新技术成果,英国科学家团队对一种微波激射器做了改进,成为全球首个可在室温下连续工作的微波激射器。未来,这一新型装置有望用于磁共振成像、精密测量、太空通信及安全通信领域。

科学家分别在20世纪50年代和60年代先后研制出微波激射器和激光器,两者都能够产生高强度的电磁波。

激微波是受激放大微波辐射的意思,被认为是激光的“孪生兄弟”,但产生条件更为苛刻。而微波激射器,正是利用辐射场的受激发射原理制成的微波放大装置,其基本物理原理是爱因斯坦在1917年提出的“受激发射”的概念,该装置能够产生噪声极低的单色相干的微波辐射,此前,应用最广的微波激射器是氢原子激射器。

微波激射器可以利用很小的噪音放大微小的辐射痕迹,从而使其可以用来在天文学中测量微弱的信号,以及与遥远的任务进行通信,例如美国宇航局的“旅行者”号探测器。但这些应用通常都需要低温冷却。在某些情况下,微波设备可能比激光器更有用,这是因为微波可以穿过某些材料而可见光却不行。

而此次,帝国理工学院研究人员乔纳森·布里森及其同事,展示了一个连续波室温微波激射器,其中用到一颗有氮空位中心的金刚石。目前,微波激射器已经被用于深空通信和射电天文学,而这一新型微波激射器未来将在医学、安保和量子技术方面展现广阔的应用前景。

这种最新的装置是由英国伦敦帝国理工学院的物理学家研制的,它如今可在室温条件下产生连续的微波激射光束。这个仪器的设置包括用一束激光照射一组由金刚石、蓝宝石和铜构成的装置,从而制造微波辐射。

上世纪60年代,固态微波激射器首次开发出来,但其一般要求低温制冷和高真空系统,所以应用相对受限。后来,科学家利用有机分子晶体研发出了室温微波激射器,但是它们的热性能和力学性能相对较差,且只能在脉冲模式下工作,无法连续工作。

现有微波放大器的灵敏度受到了背景噪音的限制。并未参与该项研究的伊利诺伊州芝加哥大学物理学家David Awschalom指出,这项最新的技术“将这些放大器的噪音降低,同时允许它们在室温下运行”。他说:“这项工作非常令人兴奋。”

鉴于此,科学家们才提出,要实现连续发射则需要有替代材料。为此有人提出采用无机材料,如金刚石和碳化硅,它们的热性能和力学性能优于有机材料。

这项研究的基础是由同一团队的研究人员在2012年建造的一套系统。该装置在室温下也能工作,但它只能够产生激微波脉冲,后者没有连续的光束有用。该团队通过替换名为“增益介质”的设备关键组成部分来解决这一问题。

第一种设备使用了一种叫作并五苯的有机分子,它会随着时间的推移而降解。在新的仪器中,研究人员插入了一颗在特殊条件下生成的小金刚石,这种金刚石更稳定并能产生不间断的辐射。

研究人员在3月21日出版的《自然》杂志上报告了这一研究成果。

中国香港中文大学物理学家刘仁宝表示,最新的微波激射器仍然只是一个原则性的证明,还需要改进它的能量和稳定性以匹配现有的设备。但刘仁宝说,通过制造更便宜、更方便的设备,它可以使目前采用低温放大器的领域受益。此外,刘仁宝指出,这种微波激射器对其使用的金刚石的一种特性的利用——即所谓的“氮—空位中心”的小缺陷,意味着它可能也会利用这些缺陷在量子技术中找到应用。

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