ES2237302B1 - Metodo para la generacion de radiacion electromagnetica coherente de frecuencia comprendida entre 1ghz y 10 thz y dispositivos para su implementacion. - Google Patents

Metodo para la generacion de radiacion electromagnetica coherente de frecuencia comprendida entre 1ghz y 10 thz y dispositivos para su implementacion.

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Abstract

Método para la generación de radiación electromagnética coherente de frecuencia comprendida entre 1 Ghz y 10 Thz y dispositivos para su implementación. Comprende utilizar una muestra constituida por un imán molecular cristalino o policristalino, poseedor de niveles de energía a ambos lados de la barrera de anisotropía magnética, que comprende la disposición de la muestra (1) en un recinto bajo el efecto de un campo magnético (2) y a una temperatura a la que el material muestre fenómenos de histéresis magnética y la variación de dicho campo magnético en función del tiempo o la rotación de la muestra respecto a un campo magnético de intensidad fija, de manera que provoque un fenómeno de avalancha (térmica o electromagnética) que a su vez da lugar a una inversión de población, y que resulta en la emisión de radiación electromagnética coherente con diversas longitudes de onda.

Description

Método para la generación de radiación electromagnética coherente de frecuencia comprendida entre 1 GHz y 10 THz y dispositivos para su implementación.
Campo de la invención
La presente invención concierne a un método para producir radiación electromagnética coherente de frecuencia comprendida entre 1 GHz y 10 THz y a unos dispositivos para su implementación. En particular la invención describe la obtención de radiación coherente y materiales y medios para su realización.
Antecedentes de la invención
Recientemente se ha demostrado que la radiación de frecuencias del orden de los THz es importante en comunicaciones y en la formación de imágenes de tejidos y otros materiales blandos. Por ejemplo, algunos estudios han mostrado que puede usarse radiación de frecuencia del orden de los THz para detectar cáncer de piel con anticipación.
Sin embargo, la generación de radiación de frecuencia del orden de los THz, tal como se usa hoy en día, no puede considerarse satisfactoria. Por ejemplo, radiación de frecuencias del orden de los THz que se usa en la industria de fabricación de circuitos integrados para control de calidad se produce con un equipamiento del tamaño de una habitación y de coste económico muy elevado.
En una solicitud de patente reciente, pendiente de publicación por parte de los mismos inventores, se ha descrito un método para obtener radiación electromagnética coherente de frecuencia comprendida entre GHz y THz aplicando un campo magnético variable sobre un imán molecular situado dentro de una cavidad resonante. Dicho fenómeno se detalla asimismo en el artículo "Quantum dynamics of crystals of molecular nanomagnets incide a resonant cavity", PHYSICAL REVIEW B 68, 014431 (2003).
La posibilidad teórica de superradiancia en imanes moleculares ha sido sugerida por E.M. Chudnovsky y D.A. Garanin en el artículo publicado en Phys. Rev. Lett. 89 157201 (2002).
También es conocido desde hace algún tiempo (C. Paulsen y J.-G. Park, págs. 189-207 en Quantum Tunneling of Magnetization - QTM'94, Editado por L. Gunther y B. Barbara (Kluwer, Dordrecht, Netherlands, 1995)) que a bajas temperaturas y con un ritmo de barrido de los distintos valores del campo magnético suficientemente rápido, cristales grandes de Mn_{12}-Ac presentan un cambio brusco de su magnetización. Este efecto ha sido atribuido a una avalancha térmica en la que la relajación inicial de la magnetización en dirección del campo da lugar a una liberación de calor que acelera a su vez la relajación. Medidas directas de la emisión de calor por cristales de dicho material, así como de las medidas de la relajación magnética en campos pulsantes confirman la naturaleza térmica de la inversión brusca de la magnetización. Sin embargo, hasta ahora, dichas avalanchas han sido consideradas como efectos indeseables que impedían que se usaran cristales grandes en la experimentación.
Exposición de la invención
A diferencia de la conclusión citada en último lugar, conforme a los principios de la presente invención, se propone aprovechar precisamente dichas avalanchas generadas por cambios abruptos en el campo magnético, debido a que dan lugar a una importante inversión de población de niveles energéticos de espín, y cuando estos estados excitados decaen, se emite radiación electromagnética coherente con diversas longitudes de onda.
En esencia, la invención consiste en un método para generar radiación electromagnética coherente de frecuencia comprendida entre 1 GHz y 10 THz utilizando una muestra constituida por un imán molecular cristalino o policristalino, poseedor de niveles de energía a ambos lados de la denominada barrera de anisotropía magnética. Este método, en su concepción básica, comprende varias etapas; en primer lugar, se dispone la muestra en un recinto bajo el efecto de un campo magnético y a una temperatura en la que el material muestre fenómenos de histéresis magnética, luego se hace variar dicho campo magnético en función del tiempo de manera tal que provoque un fenómeno de avalancha (térmica o electromagnética) que a su vez da lugar a una inversión de población. Estos procesos provocan la emisión de radiación electromag-
nética coherente con diversas longitudes de onda \lambda.
Puede considerarse también que la radiación electromagnética coherente obtenida es superradiancia, en el caso de que el tamaño de la muestra sea inferior a la más pequeña de las longitudes de onda \lambda que puede emitir el material de la muestra y cumpliéndose el fenómeno de coherencia. participando un mínimo número de moléculas.
En una versión alternativa la muestra se dispone en un recinto bajo el efecto de un campo magnético de intensidad fija y a una temperatura en la que el material muestre fenómenos de histéresis magnética, luego se hace rotar la citada muestra de manera tal que provoque un fenómeno de avalancha (térmica o electromagnética) que a su vez da lugar a la citada inversión de población.
Con el fin de incrementar la potencia de la radiación se ha previsto en el método propuesto la introducción de pulsos de calor a la citada muestra mientras gira respecto a un campo magnético de intensidad fija o mientras está sometida a un campo magnético variable. Dichos pulsos de calor se suministran con el mismo ritmo que el de la citada variación de campo magnético percibida por la muestra.
El material que constituye la muestra puede estar constituido también por partículas magnéticas monodominio con anisotropía magnética.
Otras características y aspectos relevantes de la invención aparecerán con mayor claridad en la descripción de los ejemplos de realización que sigue.
Descripción breve de los dibujos
La Fig.1 describe los niveles energéticos de espín del Mn_{12}-Acetato bajo los efectos de un campo magnético externo en la que los niveles energéticos de espín cuyos números cuánticos correspondientes a la tercera componente de espín que verifican m +
m' = 3 están degenerados. Las flechas señalan el camino de relajación desde el estado inicial magnetizado en la dirección negativa del eje z al estado final magnetizado en la dirección positiva del eje z.
La Fig.2 muestra un montaje experimental para la realización y detección de superradiancia por un bolómetro.
La Fig.3(A) muestra la curva de histéresis de una muestra de veinte cristales de Mn_{12}-Ac a T = 2 K. Las avalanchas en el cambio de magnetización ocurren cuando el valor del campo magnético es aproximadamente de \pm1.4 Tesla.
La Fig.3(B) muestra la variación de la caída de potencial en el bolómetro de InSb en función del campo magnético. Los picos de radiación detectados por el bolómetro coinciden con el cambio de magnetización.
La Fig.4 muestra esquemáticamente un ejemplo de realización de un dispositivo para conseguir un campo magnético variable utilizando un imán permanente (2), un electroimán(2) o un superconductor(2) en rotación respecto a la muestra (1) en reposo.
La Fig.5 muestra esquemáticamente un ejemplo de realización de un dispositivo para conseguir que la muestra (1) perciba un campo magnético variable debido a su propia rotación cuando está situada en el seno de un campo magnético constante generado por un imán permanente (2), un electroimán (2) o un superconductor (2).
Descripción detallada de varios ejemplos de realización
Los materiales que pueden ser utilizados para generar la referida radiación electromagnética coherente son imanes moleculares y partículas magnéticas monodominio con anisotropía magnética. Pueden ser tanto monocristalinos como policristalinos, y se caracterizan por poseer niveles de energía a ambos lados de la llamada barrera de anisotropía magnética; la Fig.1 muestra los niveles de energía en función del número cuántico m para el caso particular del Mn_{12}-Ac en presencia de un campo magnético. La distancia energética entre estos niveles depende del valor de dicha barrera y del valor de espín. En los ejemplos de realización que se describen a continuación se discute el caso de imanes moleculares de alto espín y anisotropía magnética.
La temperatura de trabajo depende del valor de la anisotropía magnética del material, en los materiales estudiados oscila entre un grado Kelvin y decenas de grados Kelvin.
El campo magnético aplicado sobre el material varia con el tiempo y el ritmo de variación de dicho campo necesario para que se de el fenómeno de avalancha depende del material y de la temperatura de trabajo. Para un mayor rendimiento, o para obtener una mayor potencia de la radiación, es preferible que el campo magnético varíe entre el valor que satura el momento magnético del material en una dirección hasta el valor que satura el momento magnético del material en sentido contrario. De todas formas, la variación de campo magnético puede ser entre otros valores siempre que se invierta, aunque solo parcialmente, el momento magnético del material. En la Fig.3 se muestra como varía la magnetización de un material particular utilizado en el ejemplo de realización experimental explicado a continuación en función del campo magnético aplicado.
La producción de avalanchas está asociada al rápido proceso de inversión del momento magnético como consecuencia de la aplicación de un campo magnético variable. La naturaleza física de dichas avalanchas puede ser térmica, como en el caso del ejemplo de realización, o electromagnética. Dichas avalanchas ocurren a valores determinados del campo magnético y para ciertos valores del ritmo de variación del campo magnético. Durante dichas avalanchas el momento magnético del material varía de su valor M a -M.
Como consecuencia de la aparición de las avalanchas se produce el fenómeno de la inversión de población, es decir, se pueblan niveles excitados de espín en el pozo metastable de la anisotropía magnética, e.g. Fig.1. El espín de estos niveles tunelea simultáneamente al correspondiente nivel al otro lado de la barrera de anisotropía magnética dando lugar a la inversión de población en los niveles de espín del lado de pozo estable de al barrera de anisotropía.
Todas las moléculas que participan de la inversión de población decaen simultáneamente, en forma de cascada, a niveles más estables de energía inferior, como se muestra con unas flechas en el diagrama energético de la Fig.1, emitiéndose, en cada proceso, radiación electromagnética coherente. Esto resulta en la emisión de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias, cada una de ellas correspondiendo a un salto de nivel energético al inferior como los representados en la Fig.1. Esta radiación puede detectarse mediante bolómetros como se muestra en el dispositivo de la Fig.2 del ejemplo de realización.
La emisión de radiación se produce así pues, en cada uno de los procesos de inversión del momento magnético. Hay emisión de radiación coherente en cada ciclo de histéresis. La potencia P emitida se puede expresar de la forma siguiente: P = E1 x N, siendo E1 la energía producida por ciclo de histéresis y N el número de estos ciclos por segundo.
El rango de frecuencias de la radiación electromagnética generada en el proceso descrito depende de la anisotropía magnética y del valor del momento magnético del material así como de la temperatura de trabajo y del ritmo de variación del campo magnético aplicado. Dichos valores siendo los que determinan la población de los niveles de espín y las transiciones electromagnéticas entre los diferentes niveles de espín.
Un dispositivo que puede ser utilizado para conseguir dicha radiación se muestra en la Fig.2 y está compuesto por los siguientes elementos:
-
un alojamiento para la muestra 1 bañada en Helio gas;
-
un imán superconductor 2;
-
un guíaondas de cobre 3;
-
un bolómetro de InSb 4;
-
un termómetro 5;
todos ellos situados dentro de un magnetómetro comercial SQUID.
Este dispositivo de la Fig.2 es de hecho un dispositivo experimental En este caso, la muestra se preparó juntando 20 cristales de Mn_{12}-Ac de volumen
V \approx 22 mm^{3}, 0 aunque igualmente sería posible utilizar como material de la muestra Fe_{8}, es decir [(C_{6}H_{15}N_{3})_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2}-OH)_{12}(Br_{7}(H_{2}O))Br_{8}H_{2}0] o agregados moleculares del mismo tipo. Con ayuda de métodos químicos, de infrarrojos y rayos X, y con magnetometría SQUID, se confirmó la composición convencional, la estructura de red y las propiedades magnéticas de los cristales. Los cristales se pegaron el uno al otro con sus ejes c paralelos desalineados como máximo cinco grados. El conjunto se colocó dentro de una guíaondas cilíndrica de cobre de 5 mm de diámetro, con el eje c aproximadamente paralelo al eje de la guía. Un bolómetro de InSb se situó dentro de la guía, 13 cm por encima de la muestra. El conjunto se introdujo en un magnetómetro SQUID comercial, con la muestra en el centro del área de medida del magnetómetro. El agente refrigerante era He gas. La caída de voltaje en el bolómetro, medida con corriente constante de 0.5 \muA, permitió la obtención de la resistencia del bolómetro, que disminuyó de forma conocida cuando el bolómetro absorbió radiación. La anchura de banda del bolómetro comercial de InSb era de 60 GHz - 3 THz. Las medidas del bolómetro precisan una electrónica asociada al mismo, que constituye una fuente de ruido en el voltaje del orden de 10 \muV. Antes de llevar a cabo medidas sobre la muestra se colocó el bolómetro dentro del área de medida del magnetómetro y se obtuvo la dependencia de la resistencia del bolómetro con la temperatura y el campo magnético. El campo magnético se aplicó en la dirección del eje de la guía. La lectura del bolómetro se calibró teniendo en cuenta el conocimiento obtenido previamente de su magnetorresistencia.
La Fig.3 muestra la curva de magnetización de una muestra de 20 cristales obtenida barriendo los valores del campo magnético desde -2 T a 2 T a 2 K de temperatura. Para un ritmo de barrido de campo magnético entre 5 mT/s y 27 mT/s las avalanchas ocurren repetidamente para valores del campo de aproximadamente \pm1.4 T. En el momento de la avalancha, la temperatura de los cristales medida por el termómetro en contacto térmico con la muestra, aumentó brevemente 2 K, de 2 K a 4 K.
La Fig.4 muestra dos picos de la radiación medida por el bolómetro de InSb durante el ciclo de magnetización completo a un ritmo de barrido de campo de 27 mT/s. Estos picos se han observado en cientos de ciclos de histéresis y son completamente reproducibles en lo que a su posición y su altura respecta. Coinciden precisamente con las avalanchas. Experimentalmente se comprobó que cuando el ritmo de barrido disminuye desde 27 mT/s hasta 2.7 mT/s, los pulsos de radiación se allanan y desaparecen por debajo del nivel de ruido. Un comportamiento similar se da cuando se aumenta la temperatura.
Un dispositivo para la puesta en práctica de la invención dispondrá en general de medios de control del campo magnético aplicado a la muestra para que la variación de dicho campo sea tal que produzca un fenómeno de avalancha (térmica o electromagnética) en la muestra.
En un primer ejemplo de ejecución dicho dispositivo generador de un campo magnético variable en función del tiempo comprende un imán permanente, un electroimán o un superconductor y medios para rotar el mismo con relación a la muestra, tal como se representa en la Fig. 4 indicando con las mismas referencias numéricas las partes ya descritas al referir el ejemplo experimental de la Fig. 2.
Alternativamente dicho dispositivo generador de un campo magnético variable en función del tiempo puede comprender un electroimán alimentado con corriente variable.
Conforme a una versión alternativa el dispositivo para generar radiación electromagnética (ver Fig. 5) coherente de frecuencia comprendida entre 1 GHz y 10 THz comprende:
-
un alojamiento para la muestra;
-
un dispositivo generador de campo magnético;
-
medios para mantener la citada muestra a una temperatura en la que el material muestre fenómenos de histéresis magnética y bajo el efecto de un campo magnéti-co;
-
una sonda de temperatura
-
un detector de radiación electromagnética;
-
medios para hacer rotar dicha muestra en el seno del citado campo magnético.
Conforme a dicho dispositivo es posible que puedan alcanzarse ritmos de variación del campo percibidos por la muestra comprendidos entre aproximadamente 1,5 T/s a 10^{3} T/s.
Tal como se ha indicado al referir las características del método, en cualquiera de las realizaciones del dispositivo se ha previsto la inclusión de un generador de pulsos de calor a la muestra al mismo ritmo que suceden los cambios del campo magnético aplicado o percibido por dicha muestra con lo que se incrementará la potencia de radiación.

Claims (18)

1. Método para generar radiación electromagnética coherente de frecuencia comprendida entre 1 GHz y 10 THz utilizando una muestra constituida por un imán molecular cristalino o policristalino, poseedor de niveles de energía a ambos lados de la denominada barrera de anisotropía magnética, comprendiendo:
-
disponer la muestra en un recinto bajo el efecto de un campo magnético y a una temperatura en la que el material muestre fenómenos de histéresis magnética;
-
variar dicho campo magnético en función del tiempo de manera tal que provoque un fenómeno de avalancha (térmica o electromagnética) que a su vez da lugar a una inversión de población; y
-
emisión de radiación electromagnética coherente con diversas longitudes de onda \lambda.
2. Método para generar radiación electromagnética coherente de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicha radiación es superradiancia, siendo el tamaño de la muestra inferior a la más pequeña de las longitudes de onda \lambda, que puede emitir el material de la muestra y cumpliéndose el fenómeno de la coherencia de fase de los niveles de espín emisores de la radiación, participando un determinado número mínimo de moléculas.
3. Método para generar radiación electromagnética coherente de frecuencia comprendida entre 1 GHz y 10 THz utilizando una muestra constituida por un imán molecular cristalino o policristalino, poseedor de niveles de energía a ambos lados de la denominada barrera de anisotropía magnética, comprendiendo:
-
disponer la muestra en un recinto bajo el efecto de un campo magnético de intensidad fija y a una temperatura en la que el material muestre fenómenos de histéresis magnética;
-
variar la orientación de la muestra, rotándola respecto a dicho campo magnético, en función del tiempo de manera tal que provoque un fenómeno de avalancha (térmica o electromagnética) que a su vez da lugar a una inversión de población; y
-
emisión de radiación electromagnética coherente con diversas longitudes de onda \lambda.
4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde además se suministran pulsos de calor a la muestra al mismo ritmo que suceden los cambios del campo magnético aplicado o percibido por la muestra.
5. Método según la reivindicación 1 a 4 en el que el material utilizado es acetato de Mn_{12} o agregados moleculares del mismo tipo.
6. Método según la reivindicación 1 a 4 en el que el material utilizado es [(C_{6}H_{15}N_{3})_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2}-OH)_{12}(Br_{7}(H_{2}O))Br_{8}H_{2}0] o agregados moleculares del mismo tipo.
7. Método según la reivindicación 5 en el que dicha variación en función del tiempo se produce a un ritmo o velocidad de valor comprendido en el intervalo [5 mT/s; 27 mT/s].
8. Método según la reivindicación 1, 2, 4 ó 5 en el que la variación de campo magnético se realiza haciendo girar un imán permanente, electroimán o superconductor en la proximidad de la muestra de manera que el campo magnético generado afecta a la misma de forma variable y en el que pueden alcanzarse ritmos de variación del campo comprendidos entre aproximadamente 1,5 T/s a 10^{3} T/s.
9. Método según la reivindicación 1, 2, 4 ó 5 en el que la variación de campo magnético se realiza mediante cambios en la intensidad que circula por un electroimán en la proximidad de la muestra de manera que el campo magnético generado afecta a la misma.
10. Método según la reivindicación 1, 2, 4 ó 5 en el que la variación de campo magnético se realiza mediante cambios en la intensidad que circula por un electroimán en la proximidad de la muestra a la vez que se efectúa un movimiento de rotación de manera que el campo magnético generado afecta a la misma.
11. Método según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la temperatura de la muestra oscila entre 1ºK en situación normal y varias decenas de Kelvin cuando se da el fenómeno de avalancha térmica.
12. Método según la reivindicación 11 en el que el material utilizado es acetato de Mn_{12} y en el que la temperatura de la muestra oscila entre 2ºK en situación normal y 4ºK.
13. Dispositivo para generar radiación electromagnética coherente de frecuencia comprendida entre 1 GHz y 10 THz utilizando una muestra constituida por un imán molecular cristalino o policristalino, poseedor de niveles de energía a ambos lados de la denominada barrera de anisotropía magnética, comprendiendo:
- un alojamiento para la muestra;
-
un dispositivo generador de un campo magnético variable en función del tiempo;
-
medios para mantener la citada muestra a una temperatura en la que el material muestre fenómenos de histéresis magnética y bajo el efecto de un campo magnético;
-
una sonda de temperatura
-
un detector de radiación electromagnética.
14. Dispositivo, según la reivindicación 13, caracterizado porque dispone de medios de control del citado campo magnético para que dicha variación produzca un fenómeno de avalancha (térmica o electromagnética) en la muestra.
15. Dispositivo, según la reivindicación 13 caracterizado porque dicho dispositivo generador de un campo magnético variable en función del tiempo comprende un imán permanente, un electroimán o un superconductor y medios para rotar el mismo con relación a la muestra.
16. Dispositivo, según la reivindicación 13 caracterizado porque dicho dispositivo generador de un campo magnético variable en función del tiempo comprende un electroimán alimentado con corriente variable o un imán superconductor.
17. Dispositivo para generar radiación electromagnética coherente de frecuencia comprendida entre 1 GHz y 10 THz utilizando una muestra constituida por un imán molecular cristalino o policristalino, poseedor de niveles dee energía a ambos lados de la denominada barrera de anisotropía magnética, comprendiendo:
- un alojamiento para la muestra;
-
un dispositivo generador de campo magnético;
-
medios para mantener la citada muestra a una temperatura en la que el material muestre fenómenos de histéresis magnética y bajo el efecto de un campo magnético;
-
una sonda de temperatura
-
un detector de radiación electromagnética;
-
medios para hacer rotar dicha muestra en el seno del citado campo magnético.
18. Dispositivo según las reivindicaciones 13 a 17 en el que además se incorpora un generador de pulsos de calor suministrados a la muestra que opera al mismo ritmo que suceden los cambios del campo magnético aplicado o percibido por la muestra.
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