Investigadores del Departamento de Materiales del Imperial College de Londres han desarrollado un nuevo máser portátil que puede caber en el tamaño de una caja de zapatos.
El Imperial College de Londres fue pionero en el descubrimiento de máseres de estado sólido a temperatura ambiente en 2012, destacando su capacidad para amplificar señales eléctricas extremadamente débiles y demostrar estabilidad de alta frecuencia. Este fue un descubrimiento importante porque las señales de microondas pueden atravesar la atmósfera terrestre más fácilmente que otras longitudes de onda de luz. Además, las microondas tienen la capacidad de penetrar a través del cuerpo humano, una hazaña que los láseres no pueden lograr.
Los másers tienen amplias aplicaciones en sistemas de telecomunicaciones, desde redes de telefonía móvil hasta sistemas de navegación por satélite. También tienen un papel clave en el avance de la computación cuántica y la mejora de las técnicas de imágenes médicas, como las máquinas de resonancia magnética. Por lo general, son equipos estacionarios grandes, voluminosos y que solo se encuentran en laboratorios de investigación.
Un nuevo estudio ha encontrado una manera de hacer máseres significativamente más compactos y portátiles. El nuevo dispositivo, que pesa sólo unos pocos kilogramos y tiene el tamaño de una caja de zapatos, puede amplificar las señales de microondas a un costo asequible. Se basa en un material de ganancia de pentaceno, una cadena de cinco anillos de benceno que pueden "masarse" a temperatura ambiente.
Dr. Wern Ng, autor del artículo publicado en Applied Physics Letters , afirmó:"Los másers siempre necesitaron temperaturas muy frías y, por lo general, necesitaban vacío, lo que los hacía muy pesados.
"Hemos conseguido reducir el máser a sólo 5 kilogramos, sin necesidad de refrigeración ni vacío, y todo es de estado sólido.
"Lo que distingue al máser portátil de los diseños anteriores es que el máser de caja de zapatos es el primer máser portátil a temperatura ambiente, que funciona cerca del límite cuántico pero es lo suficientemente pequeño y liviano para ser portátil.
"La portabilidad es clave para animar a más personas a utilizar este dispositivo. Hace toda la diferencia cuando alguien puede sostener un dispositivo y accionar fácilmente un interruptor".
Uno de los mayores desafíos del equipo fue miniaturizar la fuente de la bomba. Si bien un material que aumenta la temperatura ambiente eliminó la necesidad de enfriamiento, los máseres existentes todavía tenían que usar una bomba grande y de alta energía.
El Dr. Daan Arroo, otro autor del artículo, explica:"¡Hay que pensar en lo que es absolutamente esencial al hacer un máser del tamaño de una caja de zapatos!
"Para amplificar las microondas, las moléculas de pentaceno deben ser "bombeadas" mediante pulsos de luz visible que las colocan en un estado excitado. La energía de estos pulsos depende de las propiedades materiales del cristal orgánico en el que se encuentran las moléculas de pentaceno.
"Nuestro mayor desafío fue reducir la energía de pulso requerida a un nivel lo suficientemente bajo como para que un láser pulsado compacto pudiera bombear el máser".
Si bien el máser de caja de zapatos es mucho más pequeño que la generación anterior de máseres de pentaceno, los investigadores pretenden miniaturizar aún más el diseño.
El Dr. Arroo sugiere:"Quizás sea posible reemplazar el láser con una fuente de luz basada en LED más pequeña si podemos reducir la energía necesaria para bombear las moléculas.
"También estamos estudiando cómo se puede miniaturizar un máser de diamante, que también puede funcionar a temperatura ambiente, hasta convertirlo en un formato portátil".
Los máseres de diamante pueden funcionar de forma continua, a diferencia del funcionamiento pulsado de los máseres de pentaceno, lo que podría dar lugar a más aplicaciones si podemos desarrollar este tipo de máser.
El Dr. Ng añade:"Hemos demostrado que podemos miniaturizar con éxito el máser de pentaceno. El máser de pentaceno es extremadamente útil; sin embargo, no puede ofrecer un haz continuo, a diferencia de los máseres de diamante.
"Nuestra próxima tarea es miniaturizar máseres a temperatura ambiente con diferentes medios de ganancia, como el diamante."
Más información: Wern Ng et al, "Maser-in-a-shoebox":un dispositivo máser portátil plug-and-play a temperatura ambiente y campo magnético cero, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0181318
Información de la revista: Cartas de Física Aplicada
Proporcionado por el Imperial College London - Departamento de Materiales
