Manyetik spin uyarımları fotonlarla karıştığında lazer benzeri özelliklere sahip mikrodalgalar yayan egzotik parçacıklar oluşturulabilir.
Yeterli güç üreten ancak aşırı soğutma gerektirmeyen lazer benzeri mikrodalga kaynaklarının eksikliği, kuantum hesaplama ve iletişim sistemlerinin geliştirilmesindeki zorluklardan biri olmuştur.
Bir araştırma ekibi şimdi yeni bir oda sıcaklığı teknolojisi kullanarak tutarlı mikrodalga radyasyonu (bir lazerden kaynaklanan türden) üretti. Bu araç, elektromanyetik alanın manyetik bir maddeyle etkileşiminden yararlanıyor. Araştırmacılara göre bu tekniğin, gelecekteki kuantum cihazlarında kullanılan çiplere dahil edilebilecek mikrodalga kaynaklarıyla sonuçlanması bekleniyor.
Mikrodalga frekanslarında çalışan lazerler (maserler) ve diğer tutarlı mikrodalga kaynakları çok yararlı olabilir çünkü kuantum bilgisayarlar için kuantum bitlerini depolayan cihazlar veri girmek ve almak için sıklıkla mikrodalga sinyallerine ihtiyaç duyar.
Maserler icat açısından lazerlerden önce gelse de, maser teknolojilerinin çoğu yalnızca son derece düşük sıcaklıklarda çalışabilir. 2018’deki bir tasarım oda sıcaklığında çalışıyor ancak fazla güç üretmiyor.
Kanada’daki Manitoba Üniversitesi’nden Can-Ming Hu, 2015 yılında polariton-eksiton lazerler adı verilen yepyeni bir lazer sınıfının gelişmiş performansından etkilenmiş ve bu teknolojiyi mikrodalga rejimine uygulamayı düşünmüştür. Bu aygıtlar, eksiton olarak bilinen kısa elektron deliği çiftlerinden ve bunların ışıkla etkileşiminden yararlanıyor.
Etkileşim, ışık dalgalarının tekrar tekrar birbirlerinden sıçradığı bir yer olan optik bir boşlukta gerçekleşiyor. Hu’ya göre bu yöntem “optik lazer teknolojisinde devrim yaratmıştı ve ben de manyetik uyarımları kullanan benzer bir stratejinin daha iyi mikrodalga kaynakları üretmemize yardımcı olup olamayacağını görmek istiyordum.”
O ve ekibi yedi yıllık temel araştırmanın ardından şimdi bunu başardıklarını düşünüyorlar. Planları, manyetik bir maddedeki elektron spinleri ile bir mikrodalga boşluğundaki fotonlar arasındaki etkileşimlerle sonuçlanıyor. Bu spinler ve fotonlar, manyetik bir alanın varlığında magnon polaritonlar olarak bilinen hibrit uyarımlar oluşturmak üzere birleşiyor ve bu da tutarlı mikrodalgalar üretiyor. Yöntem, bu tutarlı radyasyonu üretmek için maserden farklı bir fikir kullanır.
Frekans ve diğer özellikler üzerinde ince bir kontrol uygularken büyük mikrodalga enerjisi üretmek için boşluktaki radyasyonun nasıl büyütüleceğini anlamak, Hu ve meslektaşlarının son çalışmalarının ana odak noktasıydı.
Bilim insanları polaritonların teorik olarak faydalı mikrodalgalar üretebileceğinin farkındaydı. Ancak Hu ve meslektaşlarının en son çalışması, frekans ve diğer özellikler üzerinde ince kontrol sağlarken büyük miktarlarda mikrodalga enerjisi üretmek için boşluğun radyasyonunun nasıl büyütüleceğini bulmaya büyük önem verdi.
Araştırmacılar etkiyi göstermek için yaygın bir mikrodalga kavite türü kullandılar. Bu, güçlü alanları yüzeyinin hemen üzerindeki bir alanla sınırlayan 1,2 mm genişliğinde kompozit camsı bir malzeme şerididir. Statik bir manyetik alanı etkinleştirdiler ve bu yüzeye manyetik madde itriyum demir granattan 1 mm çapında bir küre yerleştirdiler. Bunu takiben, manyetik alan yönü küredeki elektron spinlerinin hizalanması etrafında döndürüldü. Mikrodalga alanları şeride bağlı bir transistör tarafından güçlendirildi, ancak araştırmacıların dikkatle planladığı şekilde dağılma yoluyla enerji kaybına da uğradı.
Bilim insanları, alana yönlendirdikleri farklı frekanslardaki mikrodalgaların emilimini ölçerek bunu doğrulayabildiler. Boşluktaki kürenin varlığı, spinler ve fotonlar arasındaki etkileşime neden olarak magnon polaritonları oluşturdu. Bulgular, kavitenin ve magnonların ayrı salınım modlarının polaritonları üretmek için nasıl birleştiğini gösteren farklı emilim imzalarını ortaya çıkardı.
Daha sonra, bu polaritonların 3,6 GHz tepe frekansı ve sadece 360 Hz çizgi genişliği ile tutarlı mikrodalga radyasyonu üretebildiğini kanıtladılar. Hu’ya göre bu çizgi genişliği, manyetik teknolojiye dayalı en iyi alternatif mikrodalga kaynaklarınınkinden 1000 kat daha azdır ve bu nedenle net frekans tanımı bir manyetik sistem için dikkate değerdir.(Manyetik olmayan kaynaklar genellikle daha üstün özelliklere sahiptir ancak genellikle düşük sıcaklıklar gerektirir). Magnon-polariton aygıtının çıkışı da 2018’de ortam sıcaklığında çalışan maserinkinden bir milyar kat daha güçlüdür. Araştırmacılar ayrıca, sinyalin kalitesini korurken bir giriş mikrodalga sinyalini 10.000 kat yükseltmenin mümkün olduğunu gösterdi. Hu’ya göre bu amplifikasyon işlevinin potansiyel kullanım alanları “hayal gücümüzün ötesinde”.
Nano ölçekli manyetik sistemler konusunda uzman olan Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Luqiao Liu’ya göre, “Burada bildirilen güzel sonuçlar beni heyecanlandırdı.” Magnon polaritonlar “pek çok yeni olasılığın önünü açtıkları” ve beklenmedik bir şekilde “mevcut pek çok alternatif teknolojiye kıyasla mikrodalgaların üretilmesinde üstün performans gösterdikleri” için kullanılmaktadır.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/56
