Les ingénieurs de l’UNSW ont développé et construit un système maser spécial qui amplifie les signaux micro-ondes, tels que ceux provenant de l’espace lointain, mais qui n’a pas besoin d’être surrefroidi.
On dit que les diamants sont les meilleurs amis des filles, mais cela pourrait bientôt être aussi vrai pour les astronomes et les astrophysiciens suite aux nouvelles recherches. L’équipe d’experts quantiques a développé un dispositif appelé maser qui utilise un diamant violet spécialement créé pour amplifier les signaux micro-ondes faibles, tels que ceux qui peuvent provenir de l’espace lointain.
Plus important encore, leur maser fonctionne à température ambiante, alors que les précédents appareils de ce type devaient être surrefroidis, à grands frais, jusqu’à environ moins 269°C.
Les signaux amplifiés, émis à l’origine par des pulsars, des galaxies ou des engins spatiaux très lointains, pourraient à terme s’avérer cruciaux pour élargir notre compréhension de l’univers et de la physique fondamentale.
L’équipe de recherche de l’UNSW, dirigée par le professeur agrégé Jarryd Pla, a publié leurs découvertes dans la revue Examen physique Xdécrivant comment un soi-disant système de spin au sein du diamant peut amplifier les signaux faibles à température ambiante.
« Les micro-ondes pénètrent dans l’appareil, puis les spins à l’intérieur du diamant en créent des copies, ce qui amplifie les signaux micro-ondes. Idéalement, les signaux micro-ondes sortent alors beaucoup plus gros et avec très peu de bruit au sommet », a déclaré le professeur A/Prof. dit Pla.
« Actuellement, des amplificateurs électroniques sont utilisés pour détecter les signaux provenant d’engins spatiaux très éloignés comme Voyager 1, qui se trouve désormais à plus de 25 milliards de kilomètres de la Terre, mais qui continue d’envoyer des données.
« Ces amplificateurs sont refroidis cryogéniquement pour réduire ce que l’on appelle le bruit thermique, qui est un bruit électrique aléatoire généré par le mouvement des électrons dans les composants de l’amplificateur. Sinon, ce bruit submergerait simplement les signaux reçus.
« Notre amplificateur maser à semi-conducteurs à température ambiante évite toutes les complications et les coûts liés au refroidissement du tout à des températures extrêmement basses et est également beaucoup plus compact. »
Dans cet article, les chercheurs montrent que leur système maser peut multiplier les signaux par un facteur allant jusqu’à 1 000.
Le centre de vacance de l’azote tourne
Le maser de validation de principe développé par l’équipe de l’UNSW, qui comprend également M. Tom Day, auteur principal de l’étude, fonctionne en faisant pousser un diamant dans un laboratoire contenant des imperfections connues sous le nom de centres de lacunes d’azote (NV).
Cette NV est un défaut délibéré dans lequel un atome d’azote remplace un atome de carbone à côté d’un point vide dans la structure cristalline, créant ainsi un système de spin.
Lorsque le système de spin est placé à l’intérieur d’un champ magnétique et simultanément exposé à un puissant faisceau laser vert, il est capable d’amplifier les signaux micro-ondes entrants.
Outre les applications dans l’exploration spatiale, le maser à température ambiante pourrait également être extrêmement bénéfique dans les applications de défense, telles que les radars.
Les radars fonctionnent en envoyant des signaux électromagnétiques qui rebondissent sur les objets et reviennent au radar pour fournir des informations sur l’emplacement, la vitesse et la taille des objets. Être capable de détecter et d’amplifier plus facilement les signaux faibles serait donc potentiellement très utile.
Le violet règne
L’équipe de recherche reconnaît que des développements supplémentaires sont nécessaires pour réduire le bruit dans leur système maser, mais estime qu’un appareil commercial pourrait être opérationnel d’ici deux à trois ans.
Ils étudient l’effet de l’augmentation de la concentration de spins NV à l’intérieur du diamant, ainsi que l’amélioration d’autres composants du système, tels que le résonateur dans lequel se trouve le diamant.
« En fait, nous devons rendre les diamants plus violets », explique M. Day.
« La couleur violette est en fait causée par la lumière rouge émise par les centres NV. Rendre les échantillons plus sombres signifie plus de centres NV, ce qui produit finalement des niveaux de gain plus élevés et des niveaux de bruit plus faibles et rend les signaux amplifiés plus clairs.
« Cependant, si vous cultivez ces diamants avec de très fortes densités de centres NV, vous pouvez alors obtenir des défauts indésirables. C’est donc un problème d’ingénierie des matériaux que nous résolvons. »
Pr/A/Prof. Pla ajoute : « Pour être compétitifs par rapport aux amplificateurs cryogéniques actuels en termes de faibles niveaux de bruit, nous savons que nous devons augmenter encore plus la concentration de NV dans le diamant. Et nous pensons qu’il y a encore beaucoup de chemin à parcourir, potentiellement vers le haut. à un ordre de grandeur d’amélioration là-bas.
« Nous travaillons également avec des fabricants français et japonais pour produire de meilleurs résonateurs et nous estimons que cela pourrait également améliorer le bruit dans une certaine mesure. »
Plus d’informations :
Tom Day et al, Amplificateur Maser à semi-conducteurs à température ambiante, Examen physique X (2024). DOI : 10.1103/PhysRevX.14.041066