Το μωβ διαμάντι που μπορεί να ενισχύσει τα σήματα από το βαθύ διάστημα

Μια ομάδα κβαντικών επιστημόνων ανέπτυξε μια συσκευή που ονομάζεται maser, ένα είδος λέιζερ που λειτουργεί με μικροκύματα αντί για ορατό φως. Η συσκευή αυτή χρησιμοποιεί ένα ειδικά δημιουργημένο μωβ διαμάντι για να ενισχύει τα ασθενή σήματα μικροκυμάτων, όπως αυτά που μπορεί να προέρχονται από το βαθύ διάστημα.

Όπως επισημαίνει η ανακοίνωση του UNSW, το πιο σημαντικό στην εφεύρεσή τους είναι ότι το maser λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ προηγούμενες τέτοιες συσκευές έπρεπε να υπερψυχθούν, με μεγάλο κόστος, σε θερμοκρασία περίπου μείον 269 βαθμών Κελσίου.

Μείωση του θερμικού θορύβου

Τα ενισχυμένα σήματα, τα οποία αρχικά εκπέμπονται από πάλσαρ, γαλαξίες ή πολύ μακρινά διαστημόπλοια, θα μπορούσαν να είναι ζωτικής σημασίας για τη διεύρυνση της κατανόησης του σύμπαντος και της θεμελιώδους φυσικής. Η ερευνητική ομάδα του UNSW, με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή Jarryd Pla, δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο περιοδικό Physical Review X.

«Επί του παρόντος, ηλεκτρονικοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση σημάτων από πολύ μακρινά διαστημόπλοια, όπως το Voyager 1, το οποίο απέχει πλέον πάνω από 15 δισεκατομμύρια μίλια από τη Γη, αλλά εξακολουθεί να στέλνει δεδομένα», εξηγεί ο καθηγητής Jarryd Pla. «Αυτοί οι ενισχυτές ψύχονται κρυογονικά για να μειωθεί ο λεγόμενος θερμικός θόρυβος, δηλαδή ο τυχαίος ηλεκτρικός θόρυβος που παράγεται από την κίνηση των ηλεκτρονίων στα εξαρτήματα του ενισχυτή. Διαφορετικά, αυτός ο θόρυβος θα υπερκάλυπτε τα σήματα που λαμβάνονται».

«Ο ενισχυτής maser που αναπτύξαμε αποφεύγει όλες τις περιπλοκές και το κόστος της ψύξης των πάντων σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, και είναι επίσης πολύ πιο μικρός σε μέγεθος».

Στη μελέτη τους, οι ερευνητές δείχνουν ότι το σύστημα maser μπορεί να ενισχύσει τα σήματα έως και 1.000 φορές.

Πώς λειτουργεί

Στο επίκεντρο της συσκευής maser βρίσκεται ένα κατασκευασμένο στο εργαστήριο μωβ διαμάντι, το οποίο έχει σκόπιμες ατέλειες στην δομή του, γνωστές ως κέντρα κενών αζώτου (nitrogen vacancy centres, ή κέντρα NV). Στα κέντρα NV ένα άτομο αζώτου αντικαθιστά ένα άτομο άνθρακα δίπλα σε ένα κενό σημείο της κρυσταλλικής δομής, δημιουργώντας έτσι ένα σύστημα σπιν – ο όρος σπιν αναφέρεται στην ιδιοστροφορμή των σωματιδίων, μια κβαντομηχανική ιδιότητα χωρίς αναλογία στην κλασική μηχανική.

Όταν το σύστημα σπιν τοποθετείται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο και ταυτόχρονα εκτίθεται σε μια ισχυρή δέσμη πράσινου λέιζερ, είναι σε θέση να ενισχύσει τα εισερχόμενα σήματα μικροκυμάτων.

Όπως εξηγεί ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Tom Day, το μωβ χρώμα του διαμαντιού προκαλείται από το κόκκινο φως που εκπέμπεται από τα κέντρα NV. Η κατασκευή πιο μωβ διαμαντιών σημαίνει περισσότερα κέντρα NV, τα οποία μειώνουν ακόμη περισσότερο τον θόρυβο και καθιστούν τα ενισχυμένα σήματα πιο καθαρά.

«Στην πραγματικότητα, πρέπει να κάνουμε τα διαμάντια ακόμα πιο μωβ», λέει ο Day.

«Ωστόσο, αν δημιουργήσουμε διαμάντια με πολύ υψηλές πυκνότητες κέντρων NV, τότε μπορεί να προκύψουν ανεπιθύμητες ατέλειες, οπότε αυτό είναι ένα πρόβλημα μηχανικής υλικών που επιλύουμε», συμπληρώνει.