Des chercheurs du département des matériaux de l’Imperial College de Londres ont développé un nouveau maser portable pouvant s’adapter à la taille d’une boîte à chaussures.
L’Imperial College de Londres a été le pionnier de la découverte des masers à semi-conducteurs à température ambiante en 2012, soulignant leur capacité à amplifier des signaux électriques extrêmement faibles et à démontrer une stabilité à haute fréquence. Il s’agit d’une découverte importante, car les signaux micro-ondes peuvent traverser l’atmosphère terrestre plus facilement que les autres longueurs d’onde de la lumière. De plus, les micro-ondes ont la capacité de pénétrer à travers le corps humain, un exploit que les lasers ne peuvent réaliser.
Les masers ont de nombreuses applications dans les systèmes de télécommunications, des réseaux de téléphonie mobile aux systèmes de navigation par satellite. Ils jouent également un rôle clé dans l’avancement de l’informatique quantique et l’amélioration des techniques d’imagerie médicale, comme les appareils IRM. Il s’agit généralement d’équipements stationnaires volumineux et encombrants que l’on trouve uniquement dans les laboratoires de recherche.
Une nouvelle étude a trouvé un moyen de rendre les masers beaucoup plus compacts et portables. Le nouvel appareil, pesant seulement quelques kilogrammes et de la taille d’une boîte à chaussures, peut amplifier les signaux micro-ondes à un coût abordable. Il repose sur un matériau de gain pentacène, une chaîne de cinq cycles benzéniques qui peuvent « maser » à température ambiante.
Dr Wern Ng, auteur de l’article publié dans Lettres de physique appliquéea déclaré : « Les Masers avaient toujours besoin de températures très froides, et ils avaient généralement besoin d’aspirateurs, ce qui les rendait très lourds.
« Nous avons réussi à réduire le poids du maser à seulement 5 kilogrammes, sans refroidissement ni vide nécessaire, et tout est à l’état solide.
« Ce qui distingue le maser portable des conceptions précédentes, c’est que le maser en boîte à chaussures est le premier maser portable à température ambiante, fonctionnant proche de la limite quantique mais suffisamment petit et léger pour être portable.
« La portabilité est essentielle pour encourager davantage de personnes à utiliser cet appareil. Cela fait toute la différence lorsque quelqu’un peut tenir un appareil et actionner facilement un interrupteur. »
Développer la conception
L’un des plus grands défis de l’équipe a été de miniaturiser la source de pompage. Même si un matériau à température ambiante éliminait le besoin de refroidissement, les masers existants devaient toujours utiliser une grande pompe à haute énergie.
Le Dr Daan Arroo, un autre auteur du journal, explique : « Il faut penser à ce qui est absolument essentiel lorsqu’on fabrique un maser de la taille d’une boîte à chaussures !
« Pour amplifier les micro-ondes, les molécules de pentacène doivent être « pompées » à l’aide d’impulsions de lumière visible qui les placent dans un état excité. L’énergie de ces impulsions dépend des propriétés matérielles du cristal organique dans lequel se trouvent les molécules de pentacène.
« Notre plus grand défi consistait à réduire l’énergie d’impulsion requise à un niveau suffisamment bas pour qu’un laser pulsé compact puisse pomper le maser. »
Masers du futur
Bien que le maser en boîte à chaussures soit beaucoup plus petit que la génération précédente de masers au pentacène, les chercheurs visent à miniaturiser davantage la conception.
Le Dr Arroo suggère : « Il pourrait être possible de remplacer le laser par une source de lumière LED plus petite si nous pouvons réduire l’énergie requise pour pomper les molécules.
« Nous réfléchissons également à la manière dont un maser au diamant, qui peut également fonctionner à température ambiante, peut être miniaturisé sous une forme portable. »
Les masers au diamant peuvent fonctionner en continu, contrairement au fonctionnement pulsé des masers au pentacène, ce qui pourrait conduire à davantage d’applications si nous parvenons à développer ce type de maser.
Le Dr Ng ajoute : « Nous avons montré que nous pouvons miniaturiser avec succès le maser au pentacène. Le maser au pentacène est extrêmement utile ; cependant, il ne peut pas offrir un faisceau continu, contrairement aux masers au diamant.
« Notre prochaine tâche consiste à miniaturiser les masers à température ambiante avec différents supports de gain tels que le diamant. »
Plus d’information:
Wern Ng et al, « Maser-in-a-shoebox »: Un dispositif maser portable plug-and-play à température ambiante et champ magnétique nul, Lettres de physique appliquée (2024). DOI : 10.1063/5.0181318