Pesquisadores do Departamento de Materiais do Imperial College London desenvolveram um novo maser portátil que cabe no tamanho de uma caixa de sapatos.



O Imperial College London foi pioneiro na descoberta de masers de estado sólido à temperatura ambiente em 2012, destacando a sua capacidade de amplificar sinais elétricos extremamente fracos e demonstrar estabilidade de alta frequência. Esta foi uma descoberta significativa porque os sinais de microondas podem passar pela atmosfera da Terra mais facilmente do que outros comprimentos de onda de luz. Além disso, as microondas têm a capacidade de penetrar no corpo humano, um feito não alcançável pelos lasers.

Os masers têm amplas aplicações em sistemas de telecomunicações – desde redes de telefonia móvel até sistemas de navegação por satélite. Eles também têm um papel fundamental no avanço da computação quântica e na melhoria das técnicas de imagens médicas, como máquinas de ressonância magnética. Geralmente são equipamentos estacionários grandes, volumosos, encontrados apenas em laboratórios de pesquisa.

Um novo estudo encontrou uma maneira de tornar os masers significativamente mais compactos e portáteis. O novo dispositivo, pesando apenas alguns quilos e do tamanho de uma caixa de sapatos, pode amplificar sinais de micro-ondas a um custo acessível. Ele se baseia em um material de ganho de pentaceno, uma cadeia de cinco anéis de benzeno que pode “se formar” à temperatura ambiente.

Dr. Wern Ng, autor do artigo publicado em Applied Physics Letters , afirmou:"Os Masers sempre precisaram de temperaturas muito baixas e geralmente precisavam de aspiradores, o que os tornava muito pesados.

“Conseguimos encolher o maser para apenas 5 kg, sem necessidade de resfriamento, sem necessidade de vácuo, e é tudo em estado sólido.

"O que diferencia o maser portátil dos designs anteriores é que o maser de caixa de sapatos é o primeiro maser portátil à temperatura ambiente, operando perto do limite quântico, mas pequeno e leve o suficiente para ser portátil.

"A portabilidade é fundamental para incentivar mais pessoas a usar este dispositivo. Faz toda a diferença quando alguém pode segurar um dispositivo e apertar um botão facilmente."

Desenvolvendo o design

Um dos maiores desafios da equipe foi miniaturizar a fonte da bomba. Embora um material com ganho de temperatura ambiente eliminasse a necessidade de resfriamento, os masers existentes ainda precisavam usar uma bomba grande e de alta energia.

Daan Arroo, outro autor do artigo, explica:“Você tem que pensar no que é absolutamente essencial ao fazer um maser do tamanho de uma caixa de sapatos!

“Para amplificar as microondas, as moléculas de pentaceno devem ser “bombeadas” usando pulsos de luz visível que as colocam em um estado excitado. A energia desses pulsos depende das propriedades do material do cristal orgânico no qual as moléculas de pentaceno são encontradas.

"Nosso maior desafio foi reduzir a energia de pulso necessária a um nível baixo o suficiente para que um laser pulsado compacto pudesse bombear o maser."

Masers do futuro

Embora o maser de caixa de sapatos seja muito menor do que a geração anterior de masers de pentaceno, os pesquisadores pretendem miniaturizar ainda mais o design.

Arroo sugere:“Pode ser possível substituir o laser por uma fonte de luz menor baseada em LED se pudermos reduzir a energia necessária para bombear as moléculas.

"Também estamos considerando como um maser de diamante, que também pode operar em temperatura ambiente, pode ser miniaturizado para um formato portátil."

Os masers de diamante podem operar continuamente, em oposição à operação pulsada dos masers de pentaceno, o que poderia levar a mais aplicações se pudermos desenvolver este tipo de masers.

Ng acrescenta:"Mostramos que podemos miniaturizar com sucesso o maser pentaceno. O maser pentaceno é extremamente útil; no entanto, ele não pode oferecer um feixe contínuo - ao contrário dos masers de diamante.

"Nossa próxima tarefa é miniaturizar masers de temperatura ambiente com diferentes meios de ganho, como o diamante."

Mais informações: Wern Ng et al, "Maser-in-a-shoebox":Um dispositivo maser portátil plug-and-play em temperatura ambiente e campo magnético zero, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0181318
Informações do diário: Cartas de Física Aplicada

Fornecido pelo Imperial College London - Departamento de Materiais