Ứng dụng Electron Spin để tạo Maser

  • 638

Đa số các loại laser hoạt động ở dải bước sóng hồng ngoại và khả kiến, nhưng loại laser đầu tiên, đã được chế tạo năm 1954, thực chất một maser- sử dụng sóng vi ba. Ngày 15 tháng 9 trên Physical Review Letters 97,116601, các nhà khoa học Hà Lan đã đưa ra một mấu thiết kế mới của maser, bằng cách sử dụng tính chất spin của electron.

Nếu thành công, nó sẽ có triển vọng thu nhỏ các loại maser hiện tại tới kích thước vi điện (microelectronic), và sẽ là một ứng dụng mới của ngành "spintronics", một ngành non trẻ, phát triển nhằm cải tiến các hệ thống điện tử đương thời bằng cách sử dụng electron spin thay vì điện tích (electron charge).

Các thiết bị điện tử ngày nay sử dụng điện tích để mã hóa thông tin bằng hệ nhị phân - các trạng thái "bật""tắt", được chuyển đổi thành các số 0 và 1 giống như hệ thống mã hóa trong máy tính . Spintronics, là hệ thống linh kiện sử dụng tính chất khác của electron, cụ thể là liên quan đến từ tính- sự sắp xếp của các spin "up" hay "down", dưới sự tác động của một từ trường.

Đã có một vài thiết bị sử dụng tính chất spin điện tử đã đưa vào sử dụng, song vẫn còn hạn chế, và phần lớn "mới chỉ dừng lại ở trên các mô hình đề xuất" Steven Watts, thuộc đại học Groningen, Hà Lan phát biểu. "Các hệ thống khếch đại sóng vi ba, hay còn gọi là maser, kích thước nhỏ là mục tiêu cần hướng tới", ông nói. Nhưng maser là một thiết bị tự kích thích, self-sustain, ngày nay thường được sử dụng ở các hệ thống lớn hoặc cần được làm lạnh tới nhiệt độ hóa lỏng của helium.

Trong một laser thông thường, năng lượng truyền vào các nguyên tử của một chất khí hoặc chất rắn, để kích thích chúng lên trạng thái năng lượng cao hơn. Các nguyên tử giải phóng photon khi chúng nhảy trở lại trạng thái cơ bản, và các photon này có thể tác động đến các nguyên tử kích thích và giải phóng photon. Cả hệ thống có thể trở thành một máy tự kích thích ánh sáng - hay một laser - khi và chỉ khi có đủ năng lượng để đạt tới trạng thái gọi là "đảo mật độ trạng thái" (population inversion), ở đó có nhiều nguyên tử ở trạng thái kích thích hơn là ở trạng thái cơ bản.

Watts và đồng nghiệp tại trường đại học Groninger, Bart van Wees đã đưa ra đề xuất về một maser sử dụng mô hình kiểu sandwich (có 3 lớp kiểu như bánh kẹp), với một vật liệu sắt từ như Fe ở trên, một vật liệu thuận từ như nhôm ở dưới, và một lớp cách điện ở giữa. Đưa một từ trường chiếu xuống dưới lớp kẹp này sẽ tạo sẽ 2 trạng thái năng lượng của electron: trạng thái cơ bản cho các spin hướng xuống dưới và một trạng thái kích thích cho các spin hướng lên trên. Các electron có thể bị kích thích lên lớp năng lượng cao hơn, trạng thái spin-up bằng cách truyền vào một bức xạ vi sóng ( microwave radiation).

Nhưng các vi sóng đến không đủ để tổng hợp lên các electron kích thích để đạt được sự đảo mật độ trạng thái, cần thiết cho maser hoạt động. Vì vậy các nhà nghiên cứu đã đưa thêm vào quá trình population của electron kích thích bằng một "dòng spin - spin current", từ lớp sắt từ tới lớp từ thuận - ở đó, dòng spin sẽ là dòng của các electron có hướng spin-up. Nhóm đã tính toán với sự hỗ trợ trên, lớp thuận từ sẽ chứa đủ các electron kích thích để kích hoạt maser ngay lập túc, và lớp sandwich sẽ giải phóng bức xạ kích thích mạnh một cách kết hợp các vi sóng.

"Mẫu maser này rất thú vị trên góc nhìn vật lý", Stuart Wolf thuộc trường đại học Virginia phát biểu, nhưng ông cũng nói, chưa rõ việc ứng dụng của loại maser này sẽ được phổ biến thế nào . Watts đồng ý rằng spin maser mới chỉ là mộ hình sơ khai, nhưng ông cũng hy vọng sẽ tiến tới việc chế tạo các maser kích thích nhỏ để sử dụng cho các thiết bị vi điện tử trong tương lại, như vi sóng đã từng được sử dụng ở nhiều thiết bị điện từ, và phổ biến nhất là điện thoại di động.

Bunhia

Cập nhật: 02/03/2007 Theo Physical Review Letters, Vật lý Việt Nam
  • 638

Theo dõi cộng đồng KhoaHoc.tv trên facebook