| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Dusíková vakance a kontinuální maser za pokojové teploty
Petr Kulhánek
V dokonalém světě bychom nikdy nebyli šťastní. A nelíbila by se nám ani dokonalá symetrie objektu, který pozorujeme. Právě drobné nedokonalosti zaujmou a často zesílí příjemné pocity při vnímání krásy. I v přírodě mají nedokonalosti své místo. Například ve světě elementárních částic je jedním ze základních principů spontánní narušení symetrieSpontánní narušení symetrie – samovolná změna symetrie systému z vyšší symetrie na nižší při přechodu do nižšího energetického stavu. Typickým příkladem je narušení všesměrové symetrie při změně vody v led. Obdobně při ochlazování feromagnetického materiálu dojde při Curieově teplotě ke změně chování feromagnetika – vytvoří se Weissovy domény a naruší se původní symetrie. Spontánní narušení symetrie je důležitým jevem v částicové fyzice, například při energiích nižších než řádově 100 GeV dojde k rozdělení elektroslabé interakce na elektromagnetickou a slabou., při němž interakce a částice získávají vlastnosti, na něž jsme zvyklí. Ve světě polovodičů umožňují různé nečistoty konstrukci součástek se zajímavými vlastnostmi. Přítomnost dusíkových atomů v diamantové mříži dává krystalkům diamantuDiamant – forma uhlíku s plošně centrovanou kubickou (diamantovou) krystalovou mříží. Sousední vazby (tzv. σ vazby) svírají úhel 109°28′ a jejich délka je 0,154 nm. Za normálních podmínek je teplota tání 3 500 °C, hustota 3,51 g/cm3 a index lomu n = 2,417. Je-li dotován kyslíkovými ionty, stane se polovodičem typu n. charakteristický nažloutlý lesk. Ve výčtu užitečných nedokonalostí bychom mohli pokračovat velmi dlouho. V dnešním bulletinu se zaměříme na jednu specifickou poruchu diamantové mříže – tzv. dusíkovou vakanciDusíková vakance – porucha v krystalické mříži diamantu, která je tvořena dvojicí vázaných poruch: chybějícím atomem uhlíku a v jeho blízkosti vázaným atomem dusíku. Elektrony v takovéto párové poruše jsou mimořádně citlivé na elektrické a magnetické pole. Dusíková vakance může sloužit jako citlivý senzor, qubit nebo jako základní prvek pevnolátkového maseru za pokojové teploty., která je součástí několika současných technologií a vypadá to, že její využití bude mnohem širší, než se původně zdálo.
Syntetický diamant ozářený zeleným laserem (532 nm). Dusíková vakanceDusíková vakance – porucha v krystalické mříži diamantu, která je tvořena dvojicí vázaných poruch: chybějícím atomem uhlíku a v jeho blízkosti vázaným atomem dusíku. Elektrony v takovéto párové poruše jsou mimořádně citlivé na elektrické a magnetické pole. Dusíková vakance může sloužit jako citlivý senzor, qubit nebo jako základní prvek pevnolátkového maseru za pokojové teploty. způsobuje červenou fluorescenciFluorescence – jev, při kterém je v důsledku absorpce světla látkou vyzářeno světlo na jiné, zpravidla delší vlnové délce. Pohlcené fotony excitují elektrony v atomárních obalech a ty poté při přechodu na nižší hladinu vyzáří opět světlo. Při pohlcení dvou fotonů naráz může být vyzářeno i světlo kratší vlnové délky. Jev poprvé pojmenoval v roce 1852 George Gabriel Stokes.. Zdroj: Jonathan Breeze, Imperial College London,
|
Dusíková vakance – porucha v krystalické mříži diamantu, která je tvořena dvojicí vázaných poruch: chybějícím atomem uhlíku a v jeho blízkosti vázaným atomem dusíku. Elektrony v takovéto párové poruše jsou mimořádně citlivé na elektrické a magnetické pole. Dusíková vakance může sloužit jako citlivý senzor, qubit nebo jako základní prvek pevnolátkového maseru za pokojové teploty. 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. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. |
Dusíková vakance
Dusíková vakance je velmi zvláštní porucha v krystalové mříži diamantuDiamant – forma uhlíku s plošně centrovanou kubickou (diamantovou) krystalovou mříží. Sousední vazby (tzv. σ vazby) svírají úhel 109°28′ a jejich délka je 0,154 nm. Za normálních podmínek je teplota tání 3 500 °C, hustota 3,51 g/cm3 a index lomu n = 2,417. Je-li dotován kyslíkovými ionty, stane se polovodičem typu n.. Chybějící atom uhlíku vytvoří v krystalové mříži vakanci (prázdné místo). Pokud je nablízku dusíkový atom, vznikne za určitých podmínek vázaný pár vakance a dusíkového atomu. Této stabilní dvojici se říká dusíková vakance (NV, Nitrogen Vacancy). Elektronové stavy v dusíkové vakanci tvoří charakteristické hladiny. Elektrony lze excitovat zeleným laserovým světlem s vlnovou délkou 532 nanometrů. Následné deexcitační přechody mohou vytvářet červené a mikrovlnné záření. Elektrony obsazující dusíkovou vakanci jsou extrémně citlivé jak na elektrické, tak na magnetické pole. To předurčuje dusíkové vakance k využití jako vhodných senzorů elektrických a magnetických polí. Navíc lze snadno ovládat spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. těchto elektronů, ať už laserem, mikrovlnným impulzem či magnetickým polem. To umožňuje využívat dusíkové vakance ve spitronickýchSpintronika – spinová elektronika neboli magnetoelektronika. Jde o technologii využívající kvantové vlastnosti spinu elektronu, případně celého atomu. Zatímco klasická elektronika využívá ve všech technologiích pouze náboj elektronu, ve spintronice se kromě náboje elektronu využívá i orientace jeho spinu. První spintronické logické obvody byly zkonstruovány v roce 1997. zařízeních. Dusíkové vakance se v krystalové mříži diamantu vyskytují i přirozeným způsobem. Lze je ale také připravit uměle.
Při tvorbě syntetického diamantu se ponechá malý krystalek růst v dusíkové atmosféře. Je-li rostoucí krystal ostřelován svazkem elektronů, podaří se občas vyrazit z krystalové mříže některý z uhlíkových atomů. Tím vznikne uhlíková vakance. Další fází je zahřátí rostoucího krystalu. Za vyšší teploty se vzniklé vakance ochotně vážou s dusíkovými atomy z okolní atmosféry. V krystalu se tak při jeho umělé tvorbě vytvoří dusíkové vakance, s nimiž lze následně experimentovat. Tento postup využila například skupina vědců z Královské univerzity v Londýně (ICLICL – Imperial College London, Královská univerzita v Londýně. Prestižní výzkumná univerzita vznikla v roce 1907 královskou listinou, podle níž došlo ke spojení tří subjektů: Royal College of Science, Royal School of Mines a City and Guilds College. Univerzita je zaměřena na vědu, techniku, medicínu a obchod.), která zkoumá vlastnosti dusíkových vakancí od roku 2010. V roce 2018 se jim podařilo využít dusíkové vakace k vytvoření kontinuálního maseruMASER – 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. za pokojové teploty.
Dusíková vakance. Chybějící uhlíkový atom je označen V, dusíkový atom N. Elektronové orbitaly jsou zelené. Magnetické pole, které štěpí hladiny základního a excitovaného stavu, míří ve směru osy dusíkové vakance a je označeno červenou šipkou. Napravo je schéma energetických hladin dusíkové vakance. Zdroj: ICL, Nature.
Maser za pokojové teploty
Masery fungují podobně jako lasery, ale v mikrovlnné oblasti. MaserMASER – 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. byl dokonce vynalezen dříve než laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. Masery slouží jako časové standardy, zdroje stabilního signálu a využívají se například u radioteleskopů nebo při komunikaci kosmických lodí. Princip je stejný jako u laseru: budící signál vytvoří populaci elektronů v excitovaném stavu (tzv. inverzní populaci). Při deexcitaci se elektrony vzájemně ovlivňují, dochází k tzv. stimulované emisi a vzniku koherentníhoKoherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout. mikrovlnného signálu. Masery jsou oproti laserům nákladná zařízení, ke své činnosti potřebují teploty blízké absolutní nule a silné magnetické pole. Velkou úlevou pro experimentální zázemí i nové technologie by byly masery fungující za pokojové teploty. Takové zařízení se sice podařilo připravit, šlo o pevnolátkový maser založený na p-terfenylu (aromatický uhlovodík) dopovaném pentacenem (uhlovodík složený z lineárního řetězce pěti benzenových jader), ale tento maser nepracuje v kontinuálním režimu a jeho pulzy jsou dlouhé jen několik milisekund.
Od roku 2012 se pokoušela vyvinout kontinuální maser za pokojové teploty již zmíněná skupina z Královské univerzity v LondýněICL – Imperial College London, Královská univerzita v Londýně. Prestižní výzkumná univerzita vznikla v roce 1907 královskou listinou, podle níž došlo ke spojení tří subjektů: Royal College of Science, Royal School of Mines a City and Guilds College. Univerzita je zaměřena na vědu, techniku, medicínu a obchod.. Úsilí vedců bylo korunováno úspěchem v roce 2018. Základem nového maseru je malý umělý krystal diamantu s dusíkovými vakancemi. Kolem krystalu je safírový (safír je odrůda korundu, Al2O3) prstenec, který koncentruje mikrovlnnou energii. Dusíkové vakance jsou excitovány zeleným laserem, mikrovlnný signál je zachycen v měděné mikrovlnné dutině a pomocí antény odváděn ven. Zařízení funguje kontinuálně a za pokojové teploty, takže je dlouho očekávaným průlomem pro maserové technologie.
Schema nového typu kontinuálního maseru za pokojové teploty. Zdroj: ICL, Nature.
Další využití
Konstrukce prvního maseru, který pracuje kontinuálně za pokojové teploty, může mít celou řadu aplikací, jak primárních, tak využívajících obdobný princip. Základem primárních aplikací je samozřejmě stabilní mikrovlnný signál, další aplikace mohou využít elektron v dusíkové vakanciDusíková vakance – porucha v krystalické mříži diamantu, která je tvořena dvojicí vázaných poruch: chybějícím atomem uhlíku a v jeho blízkosti vázaným atomem dusíku. Elektrony v takovéto párové poruše jsou mimořádně citlivé na elektrické a magnetické pole. Dusíková vakance může sloužit jako citlivý senzor, qubit nebo jako základní prvek pevnolátkového maseru za pokojové teploty. jako snadno manipulovatelný objekt. Technologie vyvíjená v Královské univerzitě v Londýně se může například uplatnit u nové generace letištních skenerů, v zobrazovacích metodách v medicíně, při detekci trhavin a bomb a samozřejmě v kvantových počítačíchKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů., kde jako qubitQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. poslouží stavy dusíkové vakance (viz například AB 25/2021). A tak „obyčejný“ syntetický diamant už poněkolikáté dokázal, jak může být lidstvu užitečný.
Krystal diamantu uvnitř safírového prstence. Zelenou barvu způsobuje budící laser.
Zdroj:
ICL, Nature.
Odkazy
- Daan M. Arroo, Neil McN. Alford, Jonathan D. Breeze: Perspective on room-temperature solid-state masers; Appl. Phys. Lett. 119 (2021) 140502
- M. Pompili et al.: Realization of a multinode quantum network of remote solid-state qubits; Science 372/6539 (2021) 259-264; ArXive
- Petr Kulhánek: Kvantový internet; AB 25/2021
- Jonathan D. Breeze et al.: Continuous-wave room-temperature diamond maser; Nature 555, (2018) 493–496
- Caroline Brogan, Thomas Angus: World’s first continuous room-temperature solid-state maser built using diamond; Opli 21 Mar 2018
- Michelle Starr: Scientists Just Made The World's First Diamond Maser that Operates at Room Temperature; Scence Alert, 24 Mar 2018
- S. Steinert et al.: High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond; Review of Scientific Instruments 81 (2010) 043705; ArXiv
