Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 37 – vyšlo 7. října, ročník 10 (2012) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

37/2012

Pevnolátkový maser za pokojové teploty

Vítězslav Kříha

Přestože byly historicky prvními zařízeními, ve kterých se podařilo využít k praktické aplikaci stimulovanou emisi, masery zůstávaly v době rozmachu mikroelektroniky ve veřejném povědomí ve stínu svých mladších bratrů, laserů. Ruku na srdce, kdo si o maserech vzpomenete na něco dalšího, než že pracují v mikrovlnném oboru, že byly sestrojeny před lasery a že se v nich využívá stimulovaná emise? Možná si někdo vzpomene na atomové hodiny, jiní zas na komunikaci s družicemi či radiofrekvenční teleskopii.

Zatím jsou masery stále natolik nákladné jak z hlediska pořízení, tak provozu, že až dosud byly součástí drahých zařízení, kde potřeba přesné referenční hodnoty frekvence či zesilovače s nízkým šumem převážila nutnost použití vakuového systému, magnetického stínění, vytvoření silného magnetického pole či chlazení tekutým heliemHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi.. Tato skutečnost se může změnit díky vytvoření prvního pevnolátkového maseru, který pracuje při atmosférickém tlaku, pokojové teplotě, nevadí mu magnetické pole ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. a nepotřebuje vnější magnetické pole.

MASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Zařízení, které zesiluje elektromagnetické záření pomocí stimulované emise v mikrovlnném a rádiovém oboru. Obdobně funguje v optickém oboru LASER. Teoreticky byl maser předpovězen v roce 1952 Nikolajem Basovem a Alexandrem Prochorovem. Tato práce však byla zveřejněna až v roce 1954. Mezitím byl v roce 1953 nezávisle realizován Charlesem Townesem, Jamesem Gordonem a Herbertem Zeigrem na Kolumbijské univerzitě. Masery se využívají jako velice přesné etalony frekvence, například v atomových hodinách, jako zesilovače vynikají velice nízkým šumem, díky čemuž mohou být použity například k zesílení signálu od velice vzdálených sond, které vysílají na relativně malých výkonech nebo k radiolokaci. Nezastupitelnou roli mají rovněž v radioteleskopii. Klasické konstrukce maserů jsou poměrné náročné na provoz (vakuové systémy, magnetické stínění, silné elektromagnety nebo chlazení tekutým héliem). V roce 2012 byl zkonstruován pulzní a v roce 2018 kontinuální maser, který pracuje za pokojové teploty bez nutnosti magnetického stínění a bez použití vnějšího magnetického pole. Stimulovaná emise – vynucená emise. Děj, při kterém atom či molekula vybuzené do stavu, ze kterého je spontánní přechod do nižšího stavu zakázán kvantovými pravidly, po interakci s fotonem s energií odpovídající rozdílu energií těchto stavů, emituje další foton se stejnou fází, frekvencí, polarizací i směrem šíření. Stimulovaná emise tvoří podstatu činnosti kvantových zesilovačů fotonů, v mikrovlnné a rádiové oblasti nazývané masery a v kratších vlnových délkách až po gama záření označovaných lasery. Pentacén – polycyklický aromatický uhlovodík tvořený pěticí lineárně konjugovaných aromatických jader. Tato molekula se proslavila při prvním bezprostředním pozorování jediné molekuly pomocí mikroskopie atomárních sil. Pomocí rastrové tunelové mikroskopie byly u pentacénu experimentálně určeny tvary nejvíce a nejméně obsazených elektronových orbitalů. Další prvenství nese jako aktivní příměs prvního pevnolátkového maseru pracujícího za pokojové teploty. Terfenyly – difenylbenzeny, trifenyly jsou aromatické uhlovodíky, ve kterých jsou na centrální benzenové jádro navázány dva fenyly. Jsou používány jako konzervační látky, které brání růstu plísní. Meta-terfenyl je používaný při termotisku, para-terfenyl je laserové barvivo a složka opalovacích krémů. Terfenyly jsou meziproduktem sloučenin používaných jako emulgátory, nestékající maziva, optické projasňovače, změkčovače plastů či aditiva do chladicích tekutin. Deriváty terfenylu jsou využívány ve farmacii jako protizánětlivé látky, imunosupresiva či protinádorová chemoterapeutika. Multiplet – skupina příbuzných kvantových stavů, například v elektronovém obalu molekuly. Jednotlivé stavy se liší projekcí celkového spinu a jejich počet (2s+1) se nazývá multiplicita. Jako multiplet se také označují skupiny příbuzných elementárních částic, které se liší projekcí izospinu. Singletový stav – stav kvantového systému, například elektronového obalu molekuly, při kterém jsou všechny spiny spárovány. Celkový spin je nula a multiplicita stavu je rovna 1. Tripletový stav – stav kvantového systému, například elektronového obalu molekuly, ve kterém je celkový spin roven jedné a multiplicita rovna třem. Zářivý přechod molekul z tripletového stavu do singletového základního stavu je vzhledem dlouhým časům relaxace označovaný jako fosforescence. Skutečnost, že se molekula kyslíku za pokojové teploty vyskytuje v tripletovém stavu, umožňuje výskyt kyslíkové atmosféry na Zemi, neboť tento stav je z hlediska chemické kinetiky málo reaktivní.

MASER není LASER

Přestože úspěšná realizace maseru povzbudila ke konstrukci prvního laseru, konstrukce maseru se poněkud liší od konstrukce kvantových zesilovačů na kratších vlnových délkách. Společným prvkem obou zařízení je princip činnosti, a to sice existence aktivního prostředí, ve kterém se elektromagnetické záření namísto běžného exponenciálního útlumu exponenciálně zesiluje. Na kvantové úrovni je toto chování aktivního prostředí podmíněno stimulovanou emisí. Jelikož platí zákon zachování energie, je jasné, že aktivní prostředí musí být vytvářeno na úkor vnějšího zdroje energie, který je obecně označován jako čerpání. Dalším společným prvkem je zesílení efektu umístěním aktivního prostředí do rezonátoru naladěného na buzenou či zesilovanou frekvenciFrekvence – značíme f, počet opakování sledovaného děje za časovou jednotku. V SI měříme frekvenci v  hertzích (Hz, počet dějů za sekundu). Lze ji vypočítat jako převrácenou hodnotu periody děje: f = 1/T. Často se používá také úhlová frekvence, kterou značíme ω. Jde o časovou změnu fáze vlnění. Pro obě frekvence platí převodní vztah ω = 2πf. (u jednoprůchodových laserů tato část není nezbytná).

Při konstrukci rezonátoru však narazíme na první zásadní rozdíl. Vlnové délky rádiových vln a mikrovln jsou srovnatelné s rozměry samotného rezonátoru. V prostoru rezonátoru se tedy vytvářejí stojatá vlnění s poměrně malým počtem uzlů, jinak řečeno jsou v rezonátoru buzené nízké módy. Zatímco u rezonátoru laseru se používají polopropustná zrcadla, kterými vystupuje vysoce směrový paprsek záření, masery používají kovovou dutinu, ze které je energie vyváděna do vlnovodu pomocí vazebné smyčky.

Z hlediska směrovosti generovaného záření maser naráží na problém rozměrů. Představme si například polovodičový laser, naladěný na červené světlo o vlnové délce zhruba 600 nm. Fyzicky součástka laseru muže být i relativně malá, řekněme šest desetin milimetru u povrchové montáže na desce. Vlnová délka záření se do laseru vejde tisíckrát, což už je dostatečné na to, abychom si mohli zavést pojem paprsku, podél kterého bude v laseru zesilováno záření. U maseru na typické vodíkové čáře 21 cm se dostáváme k zlomkům metru, které jsou souměřitelné s vlnovou délkou, paprskový popis zcela selhává a můžeme popisovat pouze vybuzení kmitů. Směrovost vysílaného záření je zajištěna nikoli činností maseru, ale vnější směrovou anténou.

Druhým problémem jsou energie fotonůFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. v maseru a jim odpovídající energie přechodů elektronůElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932.. I zde se posouváme nejméně o dva až tři řády. Jestliže energie fotonů viditelného světla jsou souměřitelné s rozdíly energetických hladin, které se běžně vyskytují u excitovaných částic, k vytvoření hladin s relativně malými rozdíly energií je potřeba excitované částice v klasickém maseru umístit do vnějšího magnetického pole.

Třetím problémem je teplota. Zatímco u viditelného světla jsou teploty souměřitelné s energií fotonů srovnatelné s teplotou povrchu Slunce, tedy jednotky tisíc kelvinů, u rádiových vln a mikrovln musíme zabránit tomu, aby aktivní prostředí nedegradovaly tepelné kmity samotných částic, které ho tvoří. Toho bylo až dosud dosahováno buď prací ve vysokém vakuu, nebo při teplotách dosažených chlazením tekutým heliemHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi..

Posun maserů do pokojových teplot:

Využití interkombinační konverze v směsném krystalu p-terfenylu s pentacénem

Zprostředkované vybuzení hladiny, ze které se uskuteční stimulovaná emise pomocí jiného excitovaného stavu, není v realizaci kvantových zesilovačů nic nového. V jednom z nejznámějších laserů, helium-neonovém laseru, je čerpáním vybuzen atom heliaHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi. a srážkou s atomem neonuNeon – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny. Nevytváří sloučeniny. Neon byl objeven v roce 1898 Williamem Ramsayem a Morrisem Traversem. Využívá se v osvětlovacích tělesech a světelných indikátorech. Slouží jako náplň do některých typů laserů. dojde k vlastnímu vybuzení hladiny potřebné pro činnost laseru. Úspěšný posun činnosti maseru do pokojových teplot je realizován pomocí nezářivého přechodu singletového stavuSingletový stav – stav kvantového systému, například elektronového obalu molekuly, při kterém jsou všechny spiny spárovány. Celkový spin je nula a multiplicita stavu je rovna 1. S₁ do tripletového stavuTripletový stav – stav kvantového systému, například elektronového obalu molekuly, ve kterém je celkový spin roven jedné a multiplicita rovna třem. Zářivý přechod molekul z tripletového stavu do singletového základního stavu je vzhledem dlouhým časům relaxace označovaný jako fosforescence. Skutečnost, že se molekula kyslíku za pokojové teploty vyskytuje v tripletovém stavu, umožňuje výskyt kyslíkové atmosféry na Zemi, neboť tento stav je z hlediska chemické kinetiky málo reaktivní. T₁ směsného krystalu p-terfenylu dotovaného pentacénem. Výsledkem tohoto děje, interkombinační konverze, je vybuzená tripletová hladina, která se v magnetickém poli rozštěpí na tři energeticky velice blízké hladiny. Přechod mezi nejvyšší a nejnižší hladinou tripletu energeticky odpovídá fotonům s frekvencí zhruba 1,45 GHz. Obsazení elektrony hladin v tripletu je nerovnoměrné, s větší pravděpodobností je obsazována nejvyšší hladina. Spontánní přechod elektronů na nejnižší hladinu je zakázaný kvantovými výběrovými pravidly, což jsou vhodné podmínky pro stimulovanou emisi. Samotné vybuzení singletového stavu S₁ je uskutečněno pomocí žlutého světla barvivového laseru.

Molekula p-terfenylu. Přísada do opalovacích krémů si našla své místo
v barvivových laserech a nyní i maserech. Zdroj: Wikipedia.

Molekula pentacénu. První jednotlivá molekula pozorovaná mikroskopií atomárních silAFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem.
se znovu proslavila posunem pevnolátkových maserů do pokojových teplot.
Zdroj: Wikipedia.

Schéma buzení maseru. Hodnoty u detailu hladin tripletu ukazují pravděpodobnosti
obsazení hladin. Zdroj: M. Oxborrow et al. Nature 488 (2012) 353-356.

Rezonanční křivka maseru. Zdroj: M. Oxborrow et al., Nature 488 (2012) 353-356.

Schéma konstrukce maseru. Zdroj: M. Oxborrow et al., Nature 488 (2012) 353-356.

Rozštěpení tripletu se uskuteční pomocí střídavého magnetického pole, které vzniká při zesilování mikrovlnného pole přímo v rezonátoru. Toto řešení z jedné strany ušetří náklady na vytváření vnějšího stejnosměrného magnetického pole, z druhé strany vyřeší problém s teplotou. Vzhledem k tomu, že magnetické pole kmitá s frekvencí buzené vlny 1,45 GHz, triplet se účinkem magnetického pole rozštěpí na zlomky nanosekundy, což jsou příliš krátké časy na relaxaci systému s okolím. Interkombinační konverze je však dostatečně rychlá na to, aby stačila zajistit vybuzení T₁.

Energetické charakteristiky maserového pulsu. Zdroj: M. Oxborrow et al.,
 Nature 488 (2012) 353-356.

Práce by levné masery měly dost…

Je samozřejmě obtížné odhadnout význam a dopad revolučního objevu. Historie už zažila dost slibných technologií, které po dlouhá desetiletí zůstaly slibnými, případně sliby byly plané, protože vývoj šel jiným směrem. Nicméně pokud by organické krystaly začaly chrlit jeden nový maser za druhým, určitě to bude znamenat bouřlivý rozvoj telekomunikačních sítí zcela nové generace. Mikrovlnná medicína by jen v diagnostice vysoce přesnými a zároveň výkonnými zdroji (nový typ maseru v režimu oscilátoru má o osm řádů vyšší výkon než klasický vodíkový maser) získala nástroj, který by byl schopen doplňovat současnou ultrazvukovou diagnostiku a byl by srovnatelně nákladný, terapeutické možnosti by získaly neinvazivní nástroj pro ošetření hlubokých tkání, případně zdroj spouštěcích signálů pro nanomedicínu. Pro radioteleskopii a mikrovlnnou teleskopii by nová generace maserů znamenala možnost daleko detailnějšího mapování oblohy v těchto oblastech spektra včetně pohledu k nejranějším vývojovým fázím vesmíru.

Klip týdne: První vizualizace jediné molekuly pomocí mikroskopie atomárních sil

První vizualizace jediné molekuly pomocí mikroskopie atomárních silAFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem.. Současné technologie již umožňují si doslova osahat jednotlivé molekuly. Aromatický uhlovodík pentacén byl první molekulou, která byla tímto způsobem zkoumána. O několik let později získala tato molekula další prvenství: Krystal p-terfenylu dotovaný pentacénem umožnil konstrukci prvního pevnolátkového maseru pracujícího za pokojové teploty.

Odkazy