英國《自然》雜志8月16日(北京時(shí)間)報(bào)道,英國科學(xué)家成功研制出首臺(tái)可在室溫下運(yùn)行的微波激射器(maser),為其能夠像自己的“兄弟”——激光器一樣被廣泛應(yīng)用鋪平了道路,甚至有望給通信和空間探索領(lǐng)域帶來革新。
事實(shí)上,世界上第一臺(tái)微波激射器早在50多年前就已經(jīng)問世了,但早期的微波激射器大小如衣柜,卻只能產(chǎn)生幾納瓦的能量。工作原理相同的激光器后來居上,如今牢牢把持著江山,微波激射器應(yīng)用則僅限于增強(qiáng)航天器從遙遠(yuǎn)太空發(fā)射的無線電信號。原因很簡單,傳統(tǒng)的微波激射技術(shù)需要利用紅寶石等硬質(zhì)無機(jī)晶體來放大微波,工作條件極為苛刻:要么由特制的真空室和泵來產(chǎn)生極低的壓力,要么用特殊的冰箱來提供溫度接近于絕對零度(零下273.15攝氏度)的冷凍環(huán)境;此外,強(qiáng)磁場也是必不可少的,而這離不開巨型磁鐵。
現(xiàn)在,英國國家物理實(shí)驗(yàn)室和倫敦帝國學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)所展示的最新微波激射器,不僅能在室溫下工作,而且無需外加磁場。這項(xiàng)突破意味著微波激射器的生產(chǎn)和運(yùn)行成本都可被大大降低,使其可像激光技術(shù)一樣廣泛應(yīng)用,比如制造靈敏度更高的醫(yī)用掃描器械和遠(yuǎn)程探測爆炸物的化學(xué)傳感器,開發(fā)量子計(jì)算機(jī)所用的低噪音讀出機(jī)制以及更高效的射電望遠(yuǎn)鏡以探測外星生命。
研究人員采用了一種完全不同類型的晶體——摻雜了并五苯的對三聯(lián)苯來取代紅寶石。并五苯摻雜物使原本無色的對三聯(lián)苯晶體透出了強(qiáng)烈的淡粉紅色,看上去就像紅寶石一樣,大小也不過幾厘米。他們用一臺(tái)舊式醫(yī)用激光器將并五苯分子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)能級,然后一道微波穿過晶體,分子受激后,釋放出了同樣波長的微波束。研究論文作者之一、英國國家物理實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家馬克·奧克斯博羅說,發(fā)出的信號強(qiáng)度幾乎是現(xiàn)有微波激射器的1億倍。
目前,研究人員面臨兩大挑戰(zhàn):一是讓微波激射器能夠連續(xù)工作,因?yàn)樗看沃荒茉?秒鐘內(nèi)以脈沖模式發(fā)射;二是力爭擴(kuò)大微波頻率范圍,這將使該技術(shù)具有更大的應(yīng)用潛力。
從長遠(yuǎn)來看,研究團(tuán)隊(duì)還有諸多其他目標(biāo)需要達(dá)成,包括篩選出能在室溫條件下激射微波但比摻雜并五苯的對三聯(lián)苯晶體消耗更少能量的其他材料,設(shè)計(jì)更小型化、更便攜的微波激射器等。
總編輯圈點(diǎn)
微波激射器曾被視為上個(gè)世紀(jì)最重大的發(fā)明之一,但現(xiàn)在它遠(yuǎn)不及激光的名頭響亮,在技術(shù)上也幾乎沒產(chǎn)生什么影響,這很大程度上是由于其使用上的不方便造成的——通常需要真空或低溫的操作環(huán)境。如今英國科學(xué)家基于有機(jī)分子晶體打造的固體室溫微波激射器則克服了這個(gè)障礙,盡管還有待完善,卻仍可稱是為微波激射器灌注了二次生命。以此為新起點(diǎn),如果激光的發(fā)展史可供借鑒參考的話,那么微波激射器也將帶來一系列人們目前想都沒想過的應(yīng)用。
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