Este laser de micro-ondas de diamante roxo, denominados “Maser”, promovem a amplificação de micro-ondas de baixo ruído em mais de mil vezes. Podem ser a chave para detectar sinais do espaço profundo, comunicação com espaçonaves distantes, e até de possíveis comunicações entre civilizações distantes nas buscas da AstroBioliogia.
Ao amplificar drasticamente os sinais de micro-ondas esse amplificador parece ter saído da ficção científica: ele usa um diamante roxo em um tubo de quartzo exposto a um campo magnético intenso. O sistema cria um maser, o equivalente de micro-ondas de um laser, usado para amplificar sinais fracos de micro-ondas e rádio.
Os amplificadores são muito úteis e não apenas para concertos de música. Com a tecnologia certa, qualquer sinal pode ser tornado mais claro. Um exemplo são os sinais das sondas Voyager, que continuam a se comunicar com a Terra quatro décadas após o início de sua missão, agora no espaço interestelar. Seus amplificadores são essenciais para obter o sinal, mas requerem temperaturas muito baixas para operar. O novo Maser de diamante roxo, no entanto, funciona em temperatura ambiente, o que facilitará as comunicações, reduzindo custos.
“As microondas entram no dispositivo e, em seguida, os giros dentro do diamante criam cópias deles, o que na verdade amplifica os sinais de microondas. Idealmente, os sinais de micro-ondas saem muito maiores e com muito pouco ruído no topo”, disse o autor sênior Jarryd Pla, da Universidade de Nova Gales do Sul.
Crédito da imagem: UNSW/Richard Freeman
Os pesquisadores mostraram que a configuração pode ampliar o sinal por um fator de até 1.000. Ele pode ser usado para receber dados de espaçonaves, mas também de fontes emissoras de micro-ondas, como pulsares, buracos negros e galáxias inteiras, e possíveis comunicações de outras civilizações no espaço profundo.
Amplifica mil vezes sinais ultrabaixos, e reduz drasticamente o ruído térmico sem a necessidade de refrigeração
“Atualmente, amplificadores eletrônicos estão sendo usados para detectar sinais de espaçonaves muito distantes como a Voyager 1, que agora está a mais de 15 bilhões de milhas de distância da Terra, mas ainda enviando dados”, continuou Pla.
“Esses amplificadores são resfriados criogenicamente para reduzir o que é conhecido como ruído térmico, que é o ruído elétrico aleatório gerado pelo movimento dos elétrons nos componentes do amplificador. Caso contrário, esse ruído apenas sobrecarregaria os sinais recebidos.
“Nosso amplificador maser de estado sólido à temperatura ambiente evita todas as complicações e custos de ter que resfriar tudo a temperaturas extremamente baixas e também é muito mais compacto.” Disse o autor sênior Jarryd Pla, da Universidade de Nova Gales do Sul.
O resultado foi um amplificador maser que opera à temperatura ambiente. Usando diamante que hospeda um sistema quântico chamado centro de vacância de nitrogênio. Os autores afirmam que o ruído adicionado pelos centros de vacância de nitrogênio à medida que amplificam os sinais de micro-ondas é muito baixo e próximo do limite previsto pela mecânica quântica.
As propriedades importantes do amplificador maser, como ganho e largura de banda, podem receber muitas melhorias futuras, e levar o desempenho do dispositivo ao limite quântico.
Desta forma o amplificador maser poderá ser o dispositivo ideal para detecção de micro-ondas de baixo ruído em aplicações como comunicação no espaço profundo, radioastronomia e espectroscopia de ressonância de spin.
A cor do diamante não é por razões estéticas
A escolha do diamante roxo é causada por defeitos específicos chamados centros de vacância de nitrogênio (NV), onde um átomo de nitrogênio é colocado no lugar de um átomo de carbono próximo a um ponto vazio. Esses sistemas de spin, como são chamados, são a chave para a amplificação. Adicionar muitas dessas imperfeições é a chave para a tecnologia, por isso o diamante é roxo.
, mostrando o NV- eixo alinhado com o campo magnético aplicado B 0. (c) Diagrama da transição de resfriamento absorvente (superior) e transição de masing emissiva (inferior). Bombear com luz verde faz com que os giros entrem em um estado excitado, onde eles relaxam preferencialmente para o m s = 0 estado de spin por meio de um cruzamento entre sistemas (ISC). (d) Uma impressão artística da configuração do amplificador e do cooler do maser. O tubo de quartzo com ressonador dielétrico e conjunto de diamante é inserido dentro de uma cavidade de cobre de alta condutividade (não mostrada) com uma frequência de ressonância fundamental de aproximadamente 11 GHz, para suprimir qualquer perda de radiação do ressonador dielétrico. (e) Esquema da configuração de microondas usada para sondar o sistema em reflexão com um analisador de rede vetorial (VNA) ou medir o ruído usando um analisador de espectro (SA). O acoplador de loop é conectado a um circulador de baixa perda, que é conectado à saída do VNA em uma porta e por meio de um amplificador de micro-ondas de baixo ruído à entrada do VNA ou SA na outra porta. UNSW/Richard Freeman
“Na verdade, precisamos tornar os diamantes mais roxos”, explicou o autor principal Tom Day. “A cor roxa é realmente causada pela luz vermelha emitida pelos centros NV (vacância de nitrogênio). Fazer amostras mais escuras significa mais centros NV, o que, em última análise, produz níveis mais altos de ganho e níveis mais baixos de ruído e torna os sinais amplificados mais claros. Jarryd Pla, da Universidade de Nova Gales do Sul.
A equipe afirmou que há desafios para tornar o dispositivo ainda melhor, mas ele pode estar disponível comercialmente em apenas alguns anos.
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HISTÓRICO: DIAMANTE ROXO DETECTA SINAIS ULTRABAIXOS E AMPLIA MIL VEZES
Fonte
Physical Review X
