On-chip Radio Frequency Maser

Stel je voor dat je probeert een fluistering te horen te midden van een brullend stadion. Om die minuscule klank te horen, heb je een apparaat nodig dat ongelooflijk stil is en één specifieke noot uit de chaos kan pikken. In de wereld van de natuurkunde is dit de taak van een "maser". Je kent de laser misschien wel, die licht versterkt; een maser doet hetzelfde, maar dan voor microgolven en radiogolven. Decennialang hebben wetenschappers masers kunnen bouwen die op kamertemperatuur werken met behulp van speciale kristallen, maar er is een addertje onder het gras: deze machines waren altijd zo groot als een koelkast, gepropt in zware, volumineuze metalen dozen. Dit probleem met de omvang heeft het onmogelijk gemaakt om ze te verkleinen voor gebruik in draagbare gadgets of om ze af te stemmen op de lagere radiofrequenties die worden gebruikt voor zaken als ondergrondse detectie of ruimteobservatie. De grote vraag is geweest: kunnen we deze reusachtige, luidruchtige machine verkleinen tot de grootte van een computerchip zonder zijn supergevoelige gehoor te verliezen?

Dit artikel zegt: "Ja, dat kunnen we." De onderzoekers hebben de allereerste "on-chip" maser gebouwd die op kamertemperatuur werkt. In plaats van een enorme metalen doos gebruikten ze een minuscuul, compact circuit bestaande uit een inductor en een condensator (een LC-circuit) dat direct op een chip zit. Ze vulden dit kleine circuit met een speciaal kristal dat pentaceenmoleculen bevat, die fungeren als kleine, tollende toppen die wakker gemaakt kunnen worden door een laser. Wanneer deze moleculen worden geëxciteerd, laten ze energie vrij in de vorm van een superzuivere radiogolf op een frequentie van 106,62 MHz. Het team ontdekte dat door simpelweg te variëren in hoeveel energie er uit dit kleine circuit mag lekken, ze het apparaat konden schakelen tussen twee modi: functioneren als een superstabiele radio-oscillator (een lokaal kloksignaal) of functioneren als een ultrasensitieve sensor die magnetische velden kan detecteren die zo zwak zijn als 10 femtotesla (dat is ongeveer een biljoenste van een miljardste van een tesla). Deze doorbraak bewijst dat we geen enorme metalen kamers nodig hebben om deze kwantumapparaten te maken; we kunnen ze nu op een chip bouwen, wat de deur opent naar draagbare, hoogtechnologische sensoren die ooit in je broekzak zouden kunnen passen.

Het verhaal van de kleine radiomachine

Het probleem met de grote dozen
Denk aan traditionele masers als een vleugel in een enorme concertzaal. De zaal (de metalen resonator) is enorm, en hoewel het de klank mooi en helder maakt, kun je het niet meenemen naar een park. Wetenschappers hebben geprobeerd deze zalen kleiner te maken met speciale keramische stenen, maar ze zijn nog steeds te groot om op een microchip te passen, vooral als je de "lagere noten" (lagere frequenties) wilt spelen die in radio worden gebruikt. Hoe groter de zaal, hoe lager de noot die hij kan spelen, wat een probleem is als je de machine wilt verkleinen.

Het nieuwe kleine instrument
Het team van het Beijing Institute of Technology besloot een maser te bouwen met een ander soort "instrument". In plaats van een grote zaal gebruikten ze een klein, on-chip LC-circuit—eigenlijk een microscopische spoel van draad en een condensator. Ze plaatsten een kristal van pentaceen (een type organisch molecuul) direct in het holle centrum van deze kleine spoel.

Hier is de goocheltruc: Wanneer ze de pentaceen raken met een laserpuls (590 nm), raken de moleculen geëxciteerd en beginnen ze op een specifieke manier te tollen. Normaal gesproken gebruiken wetenschappers een paar tollende toestanden die een hoog geluid maken (rond de 1,45 GHz). Maar dit team besloot een andere set tollende toestanden te gebruiken (de X- en Y-subniveaus) die van nature een veel lagere toon willen maken, rond de 106 MHz. Dit is het "radiofrequentie"-bereik, wat perfect is voor zaken als radar en het detecteren van signalen vanuit diep onder de grond of onder water.

De magische schakelaar: De volumeknop
Het coolste deel van deze uitvinding is hoe ze deze aansturen. Stel je voor dat de kleine spoel een "volumeknop" heeft die regelt hoeveel energie er naar buiten lekt.

• Hoog volume (Hoge kwaliteitsfactor): Wanneer ze de knop zo instellen dat er heel weinig energie lekt, begint de machine uit zichzelf te zingen. Het wordt een microgolf kwantumoscillator, die een stabiele, zuivere radiogolf produceert op 106,62 MHz. Dit is ideaal om te dienen als een nauwkeurige klok of signaalgenerator.
• Laag volume (Lage kwaliteitsfactor): Wanneer ze de knop omdraaien om meer energie te laten lekken, stopt de machine met zelf zingen. In plaats daarvan wordt het een supergevoelige microfoon. Als een minuscuul magnetisch veld (zoals een fluistering) de moleculen probeert te duwen, versterkt de machine dat signaal zodat het gehoord kan worden.

De resultaten: Het onhoorbare horen
Het team testte deze kleine machine en merkte dat deze uitstekend werkte.

• Het signaal: Ze maten de radiogolf die eruit kwam en vonden dat deze ongelooflijk stabiel was; deze bleef vastgezet op 106,62 MHz, net als een perfecte stemvork.
• De gevoeligheid: Toen ze de machine in sensormodus zetten, testten ze hoe goed hij magnetische velden kon horen. Ze ontdekten dat hij velden kon detecteren die zo zwak zijn als 10,38 fT/√Hz (femtotesla per vierkantswortel uit Hertz). Om dit in perspectief te plaatsen: dit is duizenden malen gevoeliger dan de beste magnetische sensoren die momenteel beschikbaar zijn die gebruikmaken van diamantdefecten (NV-centra), en het werkt op kamertemperatuur zonder dat er extreem koude apparatuur nodig is.
• De drempelwaarde: Ze bepaalden ook precies hoeveel laserenergie er nodig was om de machine te laten zingen. Ze ontdekten dat als de "lekkage" (de kwaliteitsfactor, of $Q_L$) te hoog was (wat betekent dat het circuit te "lek" was), de machine niet zou starten. Ze moesten de efficiëntie van het circuit met ongeveer 1.500 keer verhogen ten opzichte van de natuurlijke staat om het werkend te krijgen. Zonder deze boost zou de machine meer laserenergie nodig hebben dan het kristal kan verdragen zonder te breken.

Waarom dit belangrijk is
Dit is niet slechts een laboratoriumexperiment; het is een blauwdruk voor de toekomst. Omdat het hele systeem gebruikmaakt van standaard elektronische onderdelen (inductoren en condensatoren) die op een printplaat gedrukt kunnen worden, kan de gehele maser uiteindelijk worden verkleind tot op een enkele chip. Dit betekent dat we ooit draagbare, hoogtechnologische apparaten kunnen hebben die magnetische velden met ongelooflijke precisie kunnen detecteren, of kunnen dienen als ultra-stille radiobronnen voor communicatie, allemaal zonder een enorme metalen doos of een vriezer nodig te hebben. De onderzoekers hebben aangetoond dat de "lage frequentie" radio wereld, die voorheen moeilijk bereikbaar was met masers, nu openstaat voor zaken op een kleine chip.