Maser đầu tiên hoạt động ở nhiệt độ phòng

Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu ở Anh đã xây dựng một nguyên mẫu maser bán dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng, không cần một từ trường ngoài vĩnh cửu. Maser là thiết bị giống như laser nhưng chúng phát ra vi sóng thay vì ánh sáng nhìn thấy. Chúng không được sử dụng rộng rãi vì những điều kiện hoạt động khó khăn của chúng – một số đòi hỏi hệ thống làm lạnh cực thấp hoặc buồng chân không và đôi khi đòi hỏi những từ trường mạnh. Các nhà nghiên cứu khẳng định dụng cụ của họ có thể có nhiều ứng dụng trong tương lai – từ việc dò tìm chất nổ đến việc phát hiện các trạng thái nguyên tử của các nguyên tử trong điện toán lượng tử.

Ảnh chụp lõi maser, nổi lên với ánh sáng bơm màu vàng, phát triển tại Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia ở Anh. (Ảnh: NPL)

Các điều kiện cực độ

Có hai loại maser cơ bản. Maser nguyên tử và phân tử là loại đầu tiên được phát minh ra vào năm 1958. Chúng đòi hỏi những buồng chân không đồ sộ và chỉ có thể phát ra công suất rất thấp. Loại thứ hai và là loại hữu ích hơn – maser bán dẫn – khai thác các chuyển tiếp giữa các trạng thái spin của các ion thuận từ trong một tinh thể chất rắn. Chúng mạnh hơn nhiều và có thể đưa đến những máy dò nhạy nhất, ít bị nhiễu của các tín hiệu vi sóng yếu từng được phát triển. Thật không may, để duy trì sự nghịch đảo nồng độ hạt cần thiết ở một maser bán dẫn thông thường đòi hỏi nhiệt độ đông lạnh helium lỏng, thường đi kèm với một từ trường mạnh một chiều.

Yêu cầu có những điều kiện cực độ này có nghĩa là, trong khi NASA sẵn sàng đầu tư vào việc duy trì các maser bán dẫn để thu nhận các tín hiệu yếu do tàu vũ trụ Voyager truyền về, nhưng những ứng dụng mang tính thường nhật hơn là không thể. “Chẳng hạn, bạn có thể sử dụng một maser để tăng độ chính xác của một máy quét cơ thể ở sân bay,” phát biểu của tác giả đầu nhóm Mark Oxborrow thuộc Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia ở Teddington, Anh quốc, “nhưng như thế sẽ làm tăng chi phí của dụng cụ lên đáng kể. Cho nên tôi nghĩ có nhiều ứng dụng bị liệt vào hàng không khả thi chỉ bởi do yêu cầu nhiệt độ thấp.”

Cơ chế hoạt động mới

Oxborrow và các đồng sự tại trường Imperial College London đã tạo ra maser của họ bằng cách thay một polymer mềm – p-terphenyl pha tạp với pentacene – dùng ruby tinh thể bình thường làm môi trường khuếch đại. Ngoài ra, thay vì bơm nó bằng một nguồn vi sóng, như thường xảy ra với một maser bán dẫn, họ sử dụng một laser y khoa 585 nm được thiết kế cho điều trị tổn thương mạch máu. Những thay đổi này cho phép họ khai thác một hiện tượng gọi là “sự giao nội hệ chọn lọc spin”, hiện tượng chưa từng được sử dụng ở maser và vẫn chưa được người ta hiểu hết, để duy trì sự nghịch đảo nồng độ hạt trong sự vắng mặt của nhiệt độ thấp hay một từ trường vĩnh cửu mạnh. “Không phải chúng tôi chỉ lấy công nghệ truyền thống và cải tiến dăm ba thứ theo những hướng khác nhau để cho nó hoạt động ở nhiệt độ phòng,” Oxborrow giải thích. “Cơ chế hoạt động của maser nhiệt độ phòng của chúng tôi hoàn toàn khác với maser bán dẫn thông thường.”

Ấn tượng nhưng chưa chắc chắn?

Aharon Blank, một nhà hóa học tại Viện Công nghệ Technion-Israel ở Haifa, Israel, người từng tham gia vào một dự án không thành công hồi 10 năm trước phát triển một maser bán dẫn nhiệt độ phòng, cảm thấy ấn tượng trước nghiên cứu trên. Tuy nhiên, ông cho biết một số khía cạnh của thiết kế trên có thể còn chưa đảm bảo. Thứ nhất, mặc dù dụng cụ có thể hoạt động mà không cần từ trường, nhưng cần có một từ trường để điều chỉnh điều kiện mà tại đó nó hoạt động. Mặc dù bất tiện, nhưng ông không tin như vậy sẽ gây bất lợi cho một dụng cụ thương mại xây dựng trên công nghệ này. “Có những dụng cụ thương mại đang sử dụng ngày nay dùng một từ trường tĩnh để làm biến thiên tần số,” ông nói, “cho nên đó không phải là vấn đề gì lớn.”

Tuy nhiên, có một trở ngại nghiêm trọng. Hiện nay, giống như những laser đầu tiên, dụng cụ chỉ có khả năng hoạt động ở dạng xung chứ không hoạt động trong mode liên tục. Maser chủ yếu được sử dụng để phát hiện và khuếch đại bức xạ vi sóng tới rất yếu, và công dụng của một máy dò không thể giữ hoạt động liên tục sẽ bị hạn chế. Oxborrow đề xuất có thể dùng nó để lắng nghe tiếng vọng radar chẳng hạn. Đội khoa học hiện đang làm thí nghiệm thêm với dụng cụ của họ để xác định nó có thể hoạt động ở dạng liên tục hay không và, nếu có, thì làm thế nào có thể thu được mode hoạt động liên tục này.

Tham khảo: http://www.nature.com/nature/current_issue.html

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp