Квантовый усилитель на основе алмаза
В этой новой работе, опубликованной в журнале Science Advances, Александр Шерман и группа ученых-химиков из Израильского технического технологического института в Хайфе использовали электронные спины в алмазе в качестве квантового микроволнового усилителя для работы с квантово-ограниченным внутренним шумом выше температуры жидкого азота. Команда сообщила подробности о конструкции усилителя, коэффициенте усиления, полосе пропускания, мощности насыщения и шуме. Это облегчит недоступные до сих пор приложения в квантовой науке, технике и физике.
Обычный твердотельный мазер. (A) Схематический обзор обычного твердотельного мазера с использованием монокристалла рубина, встроенного в резонатор MW и подвергнутого постоянному магнитному полю. (B) Три соответствующих уровня энергии типичного твердотельного мазера. Разделение между уровнями определяется силой статического магнитного поля B0. СВЧ-излучение используется для накачки уровней и создания инверсии населенностей, что позволяет стимулировать излучение также в СВЧ-режиме (хотя и для более низкой энергии, чем фотоны СВЧ накачки). Этот тип мазера может хорошо работать только при температуре ~1 К; при более высоких температурах все уровни почти одинаково заселены. Кроме того, время спин-решеточной релаксации T1 становится слишком коротким, чтобы обеспечить инверсию населенностей при приемлемой мощности накачки. Кредит: Научные достижения(2022). DOI: 10.1126/sciadv.ade6527
В физике слабые микроволновые сигналы могут быть усилены с минимальным добавленным шумом. Например, искусственные квантовые системы, основанные на сверхпроводящих цепях, могут усиливать и обнаруживать одиночные микроволны, хотя и при температурах в милликельвины. Исследователи могут использовать естественные квантовые системы для малошумящего микроволнового усиления за счет эффектов вынужденного излучения; однако они генерируют более высокий шум при функциональных возможностях выше 1 Кельвина.
В этой новой работе, опубликованной в журнале Science Advances, Александр Шерман и группа ученых-химиков из Израильского технического технологического института в Хайфе использовали электронные спины в алмазе в качестве квантового микроволнового усилителя для работы с квантово-ограниченным внутренним шумом выше температуры жидкого азота. Команда сообщила подробности о конструкции усилителя, коэффициенте усиления, полосе пропускания, мощности насыщения и шуме, что облегчит недоступные до сих пор приложения в квантовой науке, технике и физике.
Мазерная технология
Связь в дальнем космосе, радиоастрономия и квантовые технологии зависят от достижений, которые облегчают усиление и обнаружение микроволновых сигналов с минимальным шумом. Эти приложения требуют очень слабого релевантного сигнала на уровне десятков сотен микроволновых фотонов в секунду. Любой шум, добавленный к сигналу в процессе усиления, может превысить потенциал обнаружения сигнала.
Чтобы преодолеть это, ученые в настоящее время используют три различных типа усилителей для усиления и обнаружения микросигналов, добавляя при этом очень низкий уровень шума. Примеры включают обычные электронные усилители, усилители на основе сверхпроводящих цепей и параметрические усилители кинетической проводимости. Например, твердотельные мазеры эффективно работают при низких температурах, когда к сигналу добавляется несколько фотонов шума.
В этой работе Шерман и его коллеги сделали мазерную технологию на шаг вперед, чтобы показать ее реальную функциональность как полное переосмысление ранее описанной работы той же группы. Результаты могут привести к реализации практического устройства, чьи свойства усиления и шума могут быть измерены для потенциальных приложений в квантовой науке.
Мазер на основе алмаза. (A) Схематический обзор мазера на основе алмаза, работающего в широком диапазоне температур с оптической накачкой. (B) Три нижних уровня системы NV-, зеемановское расщепление и оптически возбужденные состояния. При нулевом магнитном поле уровень ms = 0 (обозначенный как |0>) имеет меньшую энергию, чем два вырожденных уровня ms = ±1. Возбуждение зеленым светом приводит к красной флуоресценции наряду с другими безызлучательными переходами, что приводит к увеличению заселенности состояния |0>. Приложение постоянного магнитного поля вдоль оси дефекта азот-вакансия (NV) приводит к инверсии населенностей между состояниями |0> и |-1>. В отличие от обычных твердотельных мазеров механизм селективной популяции хорошо работает даже при комнатной температуре. Это связано с тем, что возбужденное оптическое состояние в основном пусто даже при этой температуре, а T1 зеемановских уровней все еще достаточно велико. Температура спинов Tm в этом случае отрицательна и может достигать квантового предела, если ∣Tm ∣ < (hν/kB). На вставке слева показана фотография типичного кристалла синтетического алмаза, обработанного в нашей лаборатории для создания высокой концентрации дефектов NV-, возбуждаемых зеленым светом и дающих красную флуоресценцию. (C) Атомная структура цветового дефекта NV в кристалле алмаза. Такой дефект стабилен, а его отрицательное состояние (NV-) является парамагнитным со спином S = 1. Кредит: На вставке слева показана фотография типичного кристалла синтетического алмаза, обработанного в нашей лаборатории для создания высокой концентрации дефектов NV-, возбуждаемых зеленым светом и дающих красную флуоресценцию. (C) Атомная структура цветового дефекта NV в кристалле алмаза. Такой дефект стабилен, а его отрицательное состояние (NV-) является парамагнитным со спином S = 1. Кредит: На вставке слева показана фотография типичного кристалла синтетического алмаза, обработанного в нашей лаборатории для создания высокой концентрации дефектов NV-, возбуждаемых зеленым светом и дающих красную флуоресценцию. (C) Атомная структура цветового дефекта NV в кристалле алмаза. Такой дефект стабилен, а его отрицательное состояние (NV-) является парамагнитным со спином S = 1. Кредит:Научные достижения (2022). DOI: 10.1126/sciadv.ade6527
Новый мазерный прибор
В то время как мазерная технология, которая использовалась до недавнего времени, основывалась на технологиях, разработанных в 1950-х и 1960-х годах, теперь она заменена обычными электронными усилителями для простоты функциональности. Квантовая технология может усиливать очень слабые микроволновые сигналы с производительностью, ограниченной квантовым шумом, для приложений по считыванию квантовых битов и для обнаружения темной материи. Однако их дальнейшее функционирование и область применения зависят от сверхнизких криогенных температур. В результате исследователи используют современные мазерные технологии в качестве решения.
Команда разработала новый мазер для создания микроволнового усилителя с определенными размерами, чтобы показать характеристики с ограничением квантового шума при температурах выше 1K. В ходе экспериментов рассматривались два возможных режима работы мазера как генератора и усилителя. Во время колебательной функции они уменьшили связь аппарата в двух СВЧ-частях. Чтобы понять его функцию усилителя, они приняли во внимание свойства связи его входа и выхода.
Алмазный мазерный усилитель. (A) Схематический обзор изготовленного на заказ резонатора мазера, который имеет два порта для MW (вход/выход) и два оптических окна для излучения света. Два кристалла алмаза, используемые для процесса усиления, расположены в центре (фиолетовые), а между ними расположена монокристаллическая пластина Al2O3 (желтые). (Б) Фотография центральной части мазерного резонатора (с удаленными внешними частями), открытой с одной стороны, с выходом света с противоположной стороны через алмазы и кристалл Al2O3. (C) Расчетное МВт магнитного поля резонансной моды резонатора с алмазами и Al2O3 в нем. Магнитное поле СВЧ сосредоточено преимущественно внутри кристаллов алмаза. (D) То же, что и (C), но для СВЧ электрического поля, которое в основном сфокусировано внутри кристалла Al2O3. Кредит:Научные достижения (2022). DOI: 10.1126/sciadv.ade6527
Мазер как усилитель. Коэффициент усиления мазера при 30 К (слева) и 78 К (справа) для различных уровней входной мощности. Когда мазер выключен, потери сигналов, проходящих через устройство, составляют около 5 дБ из-за свойств связи его портов (основные потери связаны с недостаточной связью выходного порта). На вставках показано усиление мощности мазера и ширина полосы 3 дБ (BW) при этих двух температурах. Мазер как усилитель. Коэффициент усиления мазера при 30 К (слева) и 78 К (справа) для различных уровней входной мощности. Когда мазер выключен, потери сигналов, проходящих через устройство, составляют около 5 дБ из-за свойств связи его портов (основные потери связаны с недостаточной связью выходного порта). На вставках показано усиление мощности мазера и ширина полосы 3 дБ (BW) при этих двух температурах. Кредит: Научные достижения(2022). DOI: 10.1126/sciadv.ade6527
Оценка шума
Затем исследователи оценили шумовую температуру мазерного усилителя двумя методами, которые включали световое облучение и источник микроволнового шума с двумя разными уровнями шумовой температуры. Они подробно описали новое мазерное устройство относительно его режимов работы в качестве генератора и усилителя и сравнили результаты с аналитическими предсказаниями, а также с численным моделированием. Например, мазерные колебания на основе алмаза могут повысить чувствительность по сравнению с немазерными устройствами. Команда использовала алмазный мазер в режиме усилителя и изучила все его соответствующие параметры, включая экспериментальное произведение усиления по напряжению на полосу пропускания мазера, его ожидаемую мощность насыщения и его шумовую температуру.
Структура резонатора мазера. (A) Изометрический вид структуры полости в разобранном виде. (B) Поперечное сечение полости, если смотреть со стороны освещения. (C) Поперечное сечение структуры полости, если смотреть сверху. (D) Фотография собранной головки криогенного зонда с резонатором мазера. Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.ade6527
Перспектива
Таким образом, Александр Шерман и его коллеги продемонстрировали функциональность твердотельного мазера- усилителя с квантово-ограниченным внутренним шумом при температурах выше жидкого азота. Устройство полезно для современных приложений. Команда оценила его функцию по сравнению с современными технологиями криогенного малошумящего микроволнового усиления. Результаты показали, как устройство алмазного мазера обеспечивает квантово-ограниченное усиление. Экспериментальная система также выявила множество нелинейных эффектов, включая многократное эхо и сверхизлучение; особенности, имеющие значение в основном для исследований в области квантовой электродинамики резонатора.
