RU2351045C1 - Solid maser on conduction electrons - Google Patents
Solid maser on conduction electrons Download PDFInfo
- Publication number
- RU2351045C1 RU2351045C1 RU2007126305/28A RU2007126305A RU2351045C1 RU 2351045 C1 RU2351045 C1 RU 2351045C1 RU 2007126305/28 A RU2007126305/28 A RU 2007126305/28A RU 2007126305 A RU2007126305 A RU 2007126305A RU 2351045 C1 RU2351045 C1 RU 2351045C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active element
- maser
- injector
- electrons
- millimeter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой радиофизике, более конкретно к твердотельным квантовым генераторам, а именно к их низкочастотной разновидности - к мазерам, генерирующим сигналы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах (30 - 1500 ГГц), и может быть использовано в физике, в частности, для радиоспектроскопии, для коммуникационных технологий, в радиоастрономии и локации, в биологии, химии.The invention relates to quantum radiophysics, and more particularly to solid-state quantum generators, and in particular to their low-frequency variety - masers generating signals in the millimeter and submillimeter ranges (30 - 1500 GHz), and can be used in physics, in particular for radio spectroscopy, for communication technologies, in radio astronomy and location, in biology, chemistry.
Существует проблема получения излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне электромагнитных волн, поскольку в этом диапазоне лазеры еще не могут излучать (длина волны от десятков мкм и меньше), а обычные электровакуумные и полупроводниковые генераторы - уже не могут (длина волны - несколько миллиметров и больше). Имеющийся в настоящее время парк генераторов, способных излучать в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, насчитывает единицы устройств. Электровакуумные приборы миллиметрового диапазона, такие как лампы обратной волны, не допускают перестройки частоты, громоздки, не экономичны. Полупроводниковые генераторы миллиметрового диапазона не имеют возможности плавной перестройки частоты. Подавляющее большинство мазеров излучают только в диапазоне сантиметровых волн, имеют небольшую выходную мощность от 10-10 до 10-6 Вт, не допускают перестройки частоты, работают только при температурах, близких к температуре жидкого гелия.There is a problem of obtaining radiation in the millimeter and submillimeter range of electromagnetic waves, since lasers cannot emit in this range (wavelengths from tens of microns or less), and ordinary electrovacuum and semiconductor generators can no longer (wavelength - several millimeters or more) . Currently available fleet of generators capable of emitting in the millimeter and submillimeter ranges, there are units of devices. Millimeter-wave electro-vacuum devices, such as backward-wave lamps, do not allow frequency tuning, are bulky, and are not economical. Millimeter-wave semiconductor generators do not have the ability to smoothly change the frequency. The vast majority of masers emit only in the range of centimeter waves, have a small output power from 10 -10 to 10 -6 W, do not allow frequency tuning, work only at temperatures close to the temperature of liquid helium.
Любой квантовый генератор или усилитель должен обладать пространственно выделенной областью (активной областью), в которой, периодически или постоянно, искусственным образом создается инверсная заселенность энергетических уровней каких-нибудь частиц. Усиление электромагнитных волн в активной области происходит за счет вынужденных переходов частиц между энергетическими уровнями с излучением фотонов на частоте, определяемой разностью энергий уровней.Any quantum generator or amplifier must have a spatially distinguished region (active region), in which, inevitably, an inverse population of the energy levels of any particles is artificially created periodically or continuously. The amplification of electromagnetic waves in the active region occurs due to forced particle transitions between energy levels with the emission of photons at a frequency determined by the difference in energy levels.
Известно несколько типов квантовых генераторов: твердотельные - на кристаллах или стеклах, газовые, полупроводниковые и квантовые генераторы на красителях. Квантовые генераторы также подразделяются по типам частиц, образующих активную среду. Это могут быть молекулы, атомы, ионы и электроны (свободные или электроны проводимости в твердом теле). Также квантовые генераторы подразделяются по способам инвертирования населенности уровней (накачки) активной среды. Квантовые генераторы, работающие по трех- или четырехуровневой схеме, используют оптическую накачку, газодинамическую, накачку электрическим разрядом, накачку энергией, высвобождаемой в результате химических реакций. Квантовые генераторы, работающие по двухуровневой схеме, используют внешний, отделенный в пространстве от активной области, источник возбужденных частиц.Several types of quantum generators are known: solid-state - on crystals or glasses, gas, semiconductor and quantum dye generators. Quantum generators are also subdivided into the types of particles that form the active medium. These can be molecules, atoms, ions and electrons (free or conduction electrons in a solid). Quantum generators are also subdivided according to the methods of inverting the population of levels (pumping) of the active medium. Quantum generators operating according to a three- or four-level scheme use optical pumping, gas-dynamic pumping, electric discharge pumping, and pumping with energy released as a result of chemical reactions. Quantum generators operating according to a two-level scheme use an external source of excited particles separated in space from the active region.
Предлагаемое изобретение может быть отнесено по типам квантовых генераторов к твердотельным мазерам, по типам частиц - к мазерам на электронах проводимости, по способу накачки - к мазерам с накачкой, применяемой для двухуровневых схем, т.е. с внешним источником частиц, создающих активную среду.The present invention can be classified by type of quantum generators as solid-state masers, by type of particles as masers with conduction electrons, and by pumping method as masers with pumping used for two-level circuits, i.e. with an external source of particles creating an active medium.
Известно твердотельное устройство бегущей волны (Патент РФ № 2037916), усиливающее колебания в диапазоне миллиметровых волн. Устройство представляет собой прямоугольную вытянутую пластину из полупроводника, имеющую на поверхности систему поперечных тонких полосок, выполненных также из полупроводника или диэлектрика (волноведущую структуру), и также на поверхности - два плоских контакта, находящихся перед и за волноведущей структурой, расположенных на одной прямой, перпендикулярной направлению полосок. Работа устройства основана на усилении волны, распространяющейся в волноведущей структуре, движущимися в полупроводнике электронами со скоростью дрейфа, превышающей скорость волны.A solid-state traveling wave device is known (RF Patent No. 2037916), amplifying vibrations in the millimeter wave range. The device is a rectangular elongated wafer of semiconductor having on the surface a system of transverse thin strips made also of a semiconductor or dielectric (waveguide structure), and also on the surface are two flat contacts located in front of and behind the waveguide structure, located on one straight line, perpendicular the direction of the stripes. The operation of the device is based on amplification of a wave propagating in a waveguide structure by electrons moving in a semiconductor with a drift velocity exceeding the wave velocity.
Поскольку имеются ограничения на величину электрического поля, вытягивающего электроны, и, следовательно, на максимальную скорость электронов, для достижения максимальной частоты необходимо уменьшать шаг периодической волноведущей структуры вплоть до 1 мкм. Однако даже при таком малом шаге волноведущей структуры в реальном устройстве достигалась минимальная длина излучаемой электромагнитной волны чуть меньше 5 мм. Таким образом, описываемое устройство излучает только в начале миллиметрового диапазона и не позволяет получить излучение во всем диапазоне миллиметровых волн и в субмиллиметровом диапазоне.Since there are restrictions on the magnitude of the electric field that draws electrons, and therefore on the maximum speed of electrons, to achieve the maximum frequency, it is necessary to reduce the step of the periodic waveguide structure up to 1 μm. However, even with such a small step of the waveguide structure in a real device, the minimum length of the emitted electromagnetic wave was slightly less than 5 mm. Thus, the described device emits only at the beginning of the millimeter range and does not allow to obtain radiation in the entire range of millimeter waves and in the submillimeter range.
Известен транзисторный генератор СВЧ (Патент РФ № 2239938) с заявленной способностью генерировать колебания второй гармоники с частотой свыше 100 ГГц. Генератор построен по схеме Колпитца с частотой генерации основной гармоники, заданной несколькими сосредоточенными и распределенными емкостями и индуктивностями, а в обратную связь на второй гармонике включен волноводно-щелевой резонатор. Генератор представляет собой транзистор, три электрода которого соединены с проводящими поверхностями, расположенными на диэлектрической подложке, помещенный в волновод. Одна из проводящих поверхностей соединена напрямую с широкой стенкой волновода, а две другие - через блокировочные микрополосковые LC-элементы с другой широкой стенкой волновода. Щели между проводящими поверхностями вместе с волноводом образуют волноводно-щелевые линии, отрезки которых выполняют функцию волноводно-щелевых резонаторов.A known transistor microwave generator (RF Patent No. 2239938) with the claimed ability to generate second-harmonic oscillations with a frequency of over 100 GHz. The generator is constructed according to the Kolpitz scheme with the fundamental harmonic generation frequency specified by several concentrated and distributed capacitances and inductances, and a slot-waveguide resonator is included in the feedback at the second harmonic. The generator is a transistor, the three electrodes of which are connected to conductive surfaces located on a dielectric substrate, placed in a waveguide. One of the conductive surfaces is connected directly to the wide wall of the waveguide, and the other two are connected via blocking microstrip LC elements to the other wide wall of the waveguide. The gaps between the conducting surfaces together with the waveguide form waveguide-gap lines, the segments of which serve as waveguide-gap resonators.
Недостатком такого генератора является необходимость точного согласования местоположения и размеров нескольких элементов конструкции в резонанс с колебаниями второй гармоники. В результате этого перестройка частоты невозможна, а минимальная длина волны, достигнутая реальной моделью, была чуть меньше 6 мм. Таким образом, описываемое устройство излучает только в начале миллиметрового диапазона и не способно создавать излучение во всем диапазоне миллиметровых волн и в субмиллиметровом диапазоне.The disadvantage of this generator is the need for precise matching of the location and size of several structural elements in resonance with the oscillations of the second harmonic. As a result of this, frequency tuning is not possible, and the minimum wavelength achieved by the real model was slightly less than 6 mm. Thus, the described device emits only at the beginning of the millimeter range and is not able to generate radiation in the entire range of millimeter waves and in the submillimeter range.
Известен субмиллиметровый мазер на кремнии (Патент РФ № 2084996), возбуждаемый с помощью дополнительного инфракрасного полупроводникового лазера на GaAs. Мазер представляет собой выполненный из n-Si параллелепипед, служащий одновременно резонатором и активным элементом, широкую грань которого освещают светом лазера с длиной волны 0.9 мкм для создания в кремнии электронно-дырочных пар, а к противоположным торцевым граням прикладывают импульсы высокого напряжения. Частота излучения определяется энергией рекомбинации электронов и дырок, т.е. зависит от свойств материала и не может регулироваться.Known submillimeter silicon maser (RF Patent No. 2084996), excited using an additional infrared semiconductor laser based on GaAs. The maser is a parallelepiped made of n-Si, serving both as a resonator and an active element, a wide face of which is illuminated with laser light with a wavelength of 0.9 μm to create electron-hole pairs in silicon, and high voltage pulses are applied to opposite end faces. The radiation frequency is determined by the recombination energy of electrons and holes, i.e. Depends on the properties of the material and cannot be adjusted.
Недостатком мазера на кремнии является то, что такой мазер способен создавать излучение только при низких температурах (4.2 К<Т<77 К) и требует для возбуждения мощный полупроводниковый лазер. Излучение происходит только на единственной длине волны 0.1 мм, а излучение на других длинах волн субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов получить невозможно.The disadvantage of a silicon maser is that such a maser is capable of generating radiation only at low temperatures (4.2 K <T <77 K) and requires a high-power semiconductor laser for excitation. Radiation occurs only at a single wavelength of 0.1 mm, and radiation at other wavelengths of the submillimeter and millimeter ranges cannot be obtained.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является твердотельный циклотронный мазер на электронах проводимости (Патент США № 4376917), генерирующий колебания на частоте 300 ГГц - 30000 ГГц в субмиллиметровом диапазоне. Мазер представляет собой устройство, содержащее две части, обе выполненные из нелегированного или слаболегированного полупроводника n-InSb (антимонид индия). Такое легирование соответствует концентрации носителей 1012-1013 см-3. Первая часть - активный элемент, выполнена в форме диска с металлизацией золотом торцевых и боковых поверхностей и заземлена. На одной из плоских боковых поверхностей активного элемента в металлизации сделано круглое окно для вывода излучения. На противоположной плоской поверхности диска металлизация выполнена в виде решетки из тонких концентрических колец, врезанных в тело диска. Кольца соединены друг с другом и с остальной металлизацией тонкими перемычками. Вторая часть мазера - инжектор - предназначена для разгона электронов проводимости и выполнена в форме полого цилиндра, один из торцов которого контактирует с активным элементом со стороны решетки, а противоположный торец металлизирован и соединен с отрицательным выводом источника тока. После замыкания цепи электроны в инжекторе разгоняются и сквозь металлическую решетку инжектируются в активный элемент, в котором дрейфуют с некоторой скоростью. В магнитном поле, приложенном под некоторым углом 0<θ<π/2 к направлению дрейфа электронов, движение электронов приобретает спиралевидный характер с частотой вращения Ω электронов в спирали (Ω - циклотронная частота), а кинетическая энергия движения электронов по спиральной траектории приобретает дискретные значения (квантуется на уровни Ландау) с энергией расщепления уровней :Closest to the proposed invention is a solid-state cyclotron maser on conduction electrons (US Patent No. 4376917), generating oscillations at a frequency of 300 GHz - 30,000 GHz in the submillimeter range. A maser is a device containing two parts, both made of unalloyed or lightly doped semiconductor n-InSb (indium antimonide). Such doping corresponds to a carrier concentration of 10 12 -10 13 cm -3 . The first part is the active element, made in the form of a disk with gold metallization of the end and side surfaces and is grounded. On one of the flat lateral surfaces of the active element in metallization, a round window is made for outputting radiation. On the opposite flat surface of the disk, metallization is made in the form of a lattice of thin concentric rings embedded in the body of the disk. The rings are connected to each other and to the rest of the metallization by thin jumpers. The second part of the maser, the injector, is designed to disperse conduction electrons and is made in the form of a hollow cylinder, one of the ends of which contacts the active element from the side of the lattice, and the opposite end is metallized and connected to the negative terminal of the current source. After the circuit is closed, the electrons in the injector accelerate and are injected through the metal lattice into the active element, in which they drift at a certain speed. In a magnetic field applied at a certain angle 0 <θ <π / 2 to the direction of electron drift, the electron motion acquires a spiral shape with an electron rotation speed Ω of the electrons in the spiral (Ω is the cyclotron frequency), and the kinetic energy of the electron motion along the spiral path acquires discrete values (quantized to Landau levels) with energy splitting levels :
Ω=(qB0)/m,Ω = (qB 0 ) / m,
где q - заряд электрона;where q is the electron charge;
В0 - внешнее магнитное поле;V 0 - external magnetic field;
m - эффективная масса электрона, в n-InSb m=0.014m0, m is the effective mass of the electron, in n-InSb m = 0.014m 0,
m0 - масса покоя электрона,m 0 - rest mass of an electron,
- постоянная Планка. - Planck's constant.
Переходы с высших уровней Ландау на основной сопровождаются излучением электромагнитной волны на частоте ωc=SΩ, где S - целое число 1, 2, 3 и т.д.Transitions from the highest Landau levels to the ground are accompanied by the emission of an electromagnetic wave at a frequency ω c = SΩ, where S is an
Однако твердотельный циклотронный мазер имеет ограничения по максимальной длине волны (или минимальной частоте), которую он способен излучать, и максимальной температуре, при которой сохраняется его работоспособность. В твердотельном циклотронном мазере ответственным за излучение является кинетическое движение электронов по циклотронным орбитам, возникающим в магнитном поле. Чтобы возникла циклотронная (круговая) орбита, электроны должны без соударений успеть повернуться хотя бы на пол-оборота, т.е. должно выполняться условие Ω>1/τm, где τm - время релаксации импульса электрона или время до столкновения электрона с каким-нибудь препятствием, изменяющим его импульс. Чтобы выполнить эти условия, температура должна быть достаточно низкой, поскольку от температуры зависит частота и амплитуда колебаний атомов в кристалле, от столкновений с которыми изменяется импульс электронов. Магнитное поле, от которого зависит частота излучения, напротив, должно быть высоким, поскольку от величины магнитного поля обратно пропорционально зависит радиус круговой орбиты электрона. В известном мазере рабочая температура не может быть выше 77 К, а магнитные поля не должны быть ниже нескольких кГс, что соответствует минимальной частоте в несколько сотен ГГц. Таким образом, реальный диапазон излучения твердотельного циклотронного мазера охватывает только среднюю и верхнюю части субмиллиметрового диапазона и не достигает миллиметрового диапазона из-за нарушения работоспособности циклотронного мазера при снижении величины магнитного поля.However, a solid-state cyclotron maser has limitations on the maximum wavelength (or minimum frequency) that it is capable of emitting and the maximum temperature at which its operability is maintained. In a solid-state cyclotron maser, the kinetic motion of electrons along cyclotron orbits arising in a magnetic field is responsible for radiation. For a cyclotron (circular) orbit to occur, electrons must be able to rotate at least half a revolution, i.e. the condition Ω> 1 / τ m should be satisfied, where τ m is the relaxation time of the electron momentum or the time before the electron collides with any obstacle that changes its momentum. To fulfill these conditions, the temperature must be sufficiently low, since the frequency and amplitude of the atomic vibrations in the crystal, on collisions with which the electron momentum changes, depends on temperature. The magnetic field, on which the radiation frequency depends, on the contrary, should be high, since the radius of the electron’s circular orbit inversely depends on the magnitude of the magnetic field. In the well-known maser, the operating temperature cannot be higher than 77 K, and the magnetic fields should not be lower than a few kG, which corresponds to a minimum frequency of several hundred GHz. Thus, the real radiation range of a solid-state cyclotron maser covers only the middle and upper parts of the submillimeter range and does not reach the millimeter range due to disruption of the cyclotron maser’s operability with a decrease in the magnetic field.
В основу изобретения положена задача расширения диапазона излучения мазера в сторону миллиметровых волн с сохранением возможности излучения в субмиллиметровом диапазоне за счет использования спиновых степеней свободы инжектируемых электронов при расширении диапазона рабочих температур в сторону более высоких температур.The basis of the invention is the task of expanding the radiation range of the maser in the direction of millimeter waves while maintaining the possibility of radiation in the submillimeter range due to the use of spin degrees of freedom of the injected electrons while expanding the range of operating temperatures towards higher temperatures.
Поставленная задача решается тем, что в твердотельном мазере на электронах проводимости, включающем активный элемент и инжектор, прилегающие друг другу своими контактными поверхностями, на каждой из поверхностей, противоположной контактной, закреплен соответствующий токоподвод, при этом активный элемент выполнен в форме пластины из монокристалла антимонида индия, и его контактная поверхность имеет степень шероховатости не более 1 мкм, согласно изобретению инжектор выполнен в виде пластины из проводящего ферромагнитного материала с удельным сопротивлением не более 10-2 Ом·см, толщиной 0,5 мкм - 1 мм и его контактная поверхность также имеет степень шероховатости не более 1 мкм.The problem is solved in that in a solid-state maser on conduction electrons, including an active element and an injector adjacent to each other by their contact surfaces, on each of the surfaces opposite the contact, a corresponding current supply is fixed, while the active element is made in the form of a plate of indium antimonide single crystal and its contact surface has a roughness of not more than 1 μm, according to the invention, the injector is made in the form of a plate of conductive ferromagnetic material with specific resistance of not more than 10 -2 Ohm · cm, a thickness of 0.5 μm - 1 mm and its contact surface also has a roughness of not more than 1 μm.
При этом:Wherein:
- в качестве ферромагнитного материала использованы материалы с высокой степенью спиновой поляризации электронов проводимости, такие как ферромагнитные полупроводники, полуметаллические ферромагнетики, ферромагнитные проводящие манганиты с температурой Кюри (TC) выше рабочей температуры;- materials with a high degree of spin polarization of conduction electrons, such as ferromagnetic semiconductors, semimetallic ferromagnets, ferromagnetic conductive manganites with a Curie temperature (T C ) above the operating temperature, were used as a ferromagnetic material;
- в качестве ферромагнитных полупроводников могут быть взяты Eu0.98Gd0.02O (TC=130 К), HgCr2Se4(TC=120-130 К);- Eu 0.98 Gd 0.02 O (T C = 130 K), HgCr 2 Se 4 (T C = 120-130 K) can be taken as ferromagnetic semiconductors;
- в качестве полуметаллических ферромагнетиков могут быть взяты сплавы Гейслера Co2MnSn (TC=826 К), Ni2MnSn (TC=340 К), Co2MnSb (TC=478 К);- Heisler alloys Co 2 MnSn (T C = 826 K), Ni 2 MnSn (T C = 340 K), Co 2 MnSb (T C = 478 K) can be taken as semimetallic ferromagnets;
- в качестве ферромагнитных проводящих манганитов могут быть взяты La0.8Ва0.2MnO3 (TC=250 К), La0.8Si0.2MnO3 (TC=308 К);- La 0.8 Ba 0.2 MnO 3 (T C = 250 K), La 0.8 Si 0.2 MnO 3 (T C = 308 K) can be taken as ferromagnetic conducting manganites;
- толщина активного элемента равна 0.5 - 1 мм, концентрация носителей в нем составляет 1014-1015 см-3;- the thickness of the active element is 0.5 - 1 mm, the concentration of carriers in it is 10 14 -10 15 cm -3 ;
- контактная поверхность активного элемента параллельна кристаллической плоскости (110) антимонида индия.- the contact surface of the active element is parallel to the crystalline plane (110) of indium antimonide.
Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.
Для достижения поставленной задачи был использован механизм формирования излучения, способный работать в более низких полях, чем механизм, ответственный за излучение в прототипе. Известно, что частота спинового резонанса ωs в антимониде индия при одной и той же величине магнитного поля почти в три раза меньше частоты циклотронного резонанса Ω, при этом магнитные поля, в которых происходят переходы между спиновыми уровнями, могут быть значительно ниже минимальных магнитных полей, необходимых для формирования циклотронной орбиты в прототипе.To achieve this goal, a radiation formation mechanism was used, capable of operating in lower fields than the mechanism responsible for radiation in the prototype. It is known that the frequency of the spin resonance ω s in the indium antimonide at the same magnetic field is almost three times lower than the cyclotron resonance frequency Ω, while the magnetic fields in which the transitions between spin levels occur can be significantly lower than the minimum magnetic fields, necessary for the formation of a cyclotron orbit in the prototype.
Спин - аналог механического момента элементарной частицы, связанный с вращением ее вокруг собственной оси. Если эта частица - отрицательно заряженный электрон, то вращение такого заряда вокруг собственной оси приводит к возникновению собственного магнитного момента, направленного в противоположную механическому моменту (спину) сторону. Внешнее магнитное поле взаимодействует с магнитными моментами электронов и разделяет их на две примерно равных по численности группы: с магнитным моментом, направленным по полю (нижний Зеемановский уровень) и против поля (верхний Зеемановский уровень). Переходы электронов между уровнями изменяют их энергию - при переходе с нижнего уровня на верхний электрон увеличивает свою энергию (поглощает), а при переходе с верхнего на нижний - может испустить энергию в виде кванта электромагнитной энергии. Когда переходы происходят под действием вынуждающего электромагнитного поля их называют вынужденными или стимулированными переходами. Частота ωs такого вынуждающего поля называется частотой спинового резонанса и равна частоте кванта электромагнитной энергии, излучаемой или поглощаемой электроном при переходе.Spin is an analog of the mechanical moment of an elementary particle associated with its rotation around its own axis. If this particle is a negatively charged electron, then the rotation of such a charge around its own axis leads to the appearance of its own magnetic moment directed in the direction opposite to the mechanical moment (back). An external magnetic field interacts with the magnetic moments of the electrons and divides them into two groups of approximately equal numbers: with a magnetic moment directed across the field (lower Zeeman level) and against the field (upper Zeeman level). The transitions of electrons between levels change their energy - when moving from a lower level to an upper electron increases its energy (absorbs), and when moving from an upper to a lower one it can emit energy in the form of a quantum of electromagnetic energy. When transitions occur under the influence of a forcing electromagnetic field, they are called forced or stimulated transitions. The frequency ω s of such a driving field is called the frequency of the spin resonance and is equal to the frequency of the quantum of electromagnetic energy emitted or absorbed by the electron during the transition.
где g - фактор электрона проводимости, в InSb g=-52,where g is the conduction electron factor, in InSb g = -52,
µB - магнетон Бора,µ B - Bohr magneton,
- постоянная Планка. - Planck's constant.
При этом отношение частоты циклотронного резонанса (прототип) к частоте спинового резонанса Ω/ωs≈=2.8.In this case, the ratio of the cyclotron resonance frequency (prototype) to the spin resonance frequency Ω / ω s ≈ = 2.8.
Вероятность вынужденных переходов одинакова для переходов как сверху вниз, так и снизу вверх. Поэтому переходы происходят с тех уровней, на которых частиц больше, и идут до тех пор, пока число частиц на уровнях не сравняется. При конечных температурах в естественном состоянии на нижнем уровне электронов все же чуть больше, чем на верхнем, поэтому возможны вынужденные переходы только с нижнего уровня на верхний с поглощением энергии.The probability of forced transitions is the same for transitions from top to bottom and from bottom to top. Therefore, transitions occur from those levels at which there are more particles, and go on until the number of particles at the levels is equal. At finite temperatures in the natural state, at the lower level, the electrons are still slightly larger than at the upper, therefore, forced transitions are possible only from the lower to the upper level with energy absorption.
Для получения излучения при переходах между Зеемановскими уровнями электронов проводимости в активном элементе необходимо создать заселенность уровней, обратную естественной, т.е. заселенность верхних Зеемановских уровней сделать большей, чем нижних (инверсная заселенность). В двухуровневых системах, а именно такую систему образуют Зеемановские уровни электронов проводимости в активном элементе, инверсная заселенность может быть создана искусственно только путем поставки извне электронов на верхний уровень при одновременной эвакуации электронов с нижнего уровня.To obtain radiation during transitions between the Zeeman levels of conduction electrons in the active element, it is necessary to create a level population that is opposite to the natural one, i.e. make the population of the upper Zeeman levels larger than the lower ones (inverse population). In two-level systems, namely, such a system is formed by Zeeman levels of conduction electrons in the active element, inverse population can be created artificially only by delivering electrons from the outside to the upper level while electrons are evacuated from the lower level.
Нами было обнаружено, что инверсную заселенность в активном элементе, изготовленном из антимонида индия, можно осуществить за счет транспорта поляризованных по спину электронов из инжектора, изготовленного из ферромагнитных материалов, способных полностью (или почти полностью) поляризовать спин электрона проводимости за счет обменного взаимодействия со спином локализованных электронов, отвечающих за ферромагнетизм. (Направление спина локализованных электронов при температуре ниже температуры Кюри противоположно направлению магнитного поля.) К таким материалам относятся ферромагнитные полупроводники, полуметаллические ферромагнетики, ферромагнитные проводящие манганиты. По теоретическим оценкам в материалах этих классов при температуре ниже температуры Кюри возможна 100% поляризация электронов проводимости. (В обычных ферромагнитных металлах, таких как железо и никель, степень поляризации электронов проводимости не превышает 10-20%.) Из материалов перечисленных классов используются такие, в которых при температуре ниже температуры Кюри направление поляризации спина электронов проводимости совпадает с направлением спина локализованных электронов, т.е. противоположно направлению магнитного поля. Нами было установлено, что указанными характеристиками обладает целый ряд материалов, в частности, EuO0.98Gd0.02O (TC=130 К), HgCr2Se4 (TC=120-130 К), Co2MnSn (TC=826 К), Ni2MnSn (TC=340 К), Co2MnSb (TC=478 К), La0.8Ва0.2MnO3 (TC=250 К), La0.8Sr0.2MnO3 (TC=308 К).We found that the inverse population in an active element made of indium antimonide can be achieved by transporting spin-polarized electrons from an injector made of ferromagnetic materials capable of completely (or almost completely) polarizing the spin of a conduction electron due to the exchange interaction with the spin localized electrons responsible for ferromagnetism. (The spin direction of localized electrons at a temperature below the Curie temperature is opposite to the direction of the magnetic field.) Such materials include ferromagnetic semiconductors, semimetallic ferromagnets, and ferromagnetic conducting manganites. According to theoretical estimates, in materials of these classes at temperatures below the Curie temperature, 100% polarization of conduction electrons is possible. (In ordinary ferromagnetic metals, such as iron and nickel, the degree of polarization of conduction electrons does not exceed 10-20%.) Of the materials of these classes, those are used in which, at temperatures below the Curie temperature, the direction of polarization of the spin of conduction electrons coincides with the direction of the spin of localized electrons those. opposite to the direction of the magnetic field. We found that a number of materials possesses the indicated characteristics, in particular, EuO 0.98 Gd 0.02 O (T C = 130 K), HgCr 2 Se 4 (T C = 120-130 K), Co 2 MnSn (T C = 826 K), Ni 2 MnSn (T C = 340 K), Co 2 MnSb (T C = 478 K), La 0.8 Ba 0.2 MnO 3 (T C = 250 K), La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (T C = 308 TO).
Указанная характеристика материала инжектора в сочетании со специфическими свойствами активного элемента используется в предлагаемом изобретении следующим образом. Обычно электроны проводимости имеют положительный g-фактор (g-фактор - величина, пропорциональная гиромагнитному отношению электрона). Положительный знак g-фактора для отрицательно заряженной частицы означает, что ее спин и магнитный момент направлены в противоположные стороны. Антимонид индия, из которого изготовлен активный элемент предлагаемого мазера, представляет собой материал с аномальным отрицательным g-фактором электронов проводимости. В таком материале направление спина и магнитного момента электрона совпадают. В активном элементе, помещенном во внешнее магнитное поле, в равновесном состоянии (до инжекции спин-поляризованных электронов) электроны проводимости распределены по Зеемановским уровням в соответствии со статистикой Больцмана. При этом большая часть электронов со спином и магнитным моментом, направленным вдоль поля, находятся на нижних уровнях, а меньшая часть - с направлением спина и магнитного момента против поля - на верхних уровнях.The specified characteristic of the material of the injector in combination with the specific properties of the active element is used in the invention as follows. Usually, conduction electrons have a positive g-factor (g-factor is a value proportional to the gyromagnetic ratio of the electron). The positive sign of the g-factor for a negatively charged particle means that its spin and magnetic moment are directed in opposite directions. The indium antimonide from which the active element of the proposed maser is made is a material with an abnormal negative g-factor of conduction electrons. In such a material, the direction of the spin and the magnetic moment of the electron coincide. In an active element placed in an external magnetic field, in the equilibrium state (before the injection of spin-polarized electrons), conduction electrons are distributed over the Zeeman levels in accordance with Boltzmann statistics. In this case, most of the electrons with spin and magnetic moment directed along the field are at the lower levels, and a smaller part with the spin and magnetic moment opposite the field are at the upper levels.
Нами было обнаружено, что при инжекции электронов из материала, поляризующего спин, в полупроводник n-InSb, направление спина электронов сохраняется, т.е. остается направленным против магнитного поля. (В отличие от импульса электрона, изменяющегося в результате множества столкновений электрона, происходящих при транспорте.) Это явление основано на фундаментальном принципе сохранения углового момента, аналогом которого является спин. Поскольку в n-InSb верхним Зеемановским уровням соответствуют состояния со спином электронов, направленным против поля, то при транспорте электронов со спином, также направленным против поля, из инжектора в активный элемент происходит заполнение верхних Зеемановских уровней и опустошение нижних уровней, т.е. инверсия заселенностей. Тем самым создаются условия для реализации излучения при переходах между этими уровнями, т.е. условия для достижения поставленной задачи.We found that when electrons are injected from a material that polarizes spin into the n-InSb semiconductor, the direction of the electron spin is preserved, i.e. remains directed against the magnetic field. (In contrast to the electron momentum, which changes as a result of many electron collisions that occur during transport.) This phenomenon is based on the fundamental principle of conservation of angular momentum, an analog of which is spin. Since in n-InSb the upper Zeeman levels correspond to states with an electron spin directed opposite to the field, when electrons with spin also directed opposite to the field are transported from the injector to the active element, the upper Zeeman levels are filled and the lower levels are emptied, i.e. population inversion. This creates the conditions for the realization of radiation during transitions between these levels, i.e. conditions for achieving the task.
Частота излучения, как в прототипе, так и в предлагаемом мазере, прямо пропорционально зависит от величины магнитного поля. Однако при одной и той же величине магнитного поля в антимониде индия частота спинового резонанса почти в три раза меньше частоты циклотронного резонанса (рабочей частоты прототипа). При этом и само магнитное поле, задающее частоту спиновых переходов, в предлагаемом устройстве может быть почти на порядок меньше, чем минимальное магнитное поле, при котором возможно излучение в прототипе. В прототипе минимальное поле ограничено необходимостью формирования циклотронной орбиты электрона и составляет В0=1.5-2 кГс. В предлагаемом мазере минимальное поле определяется из условия превышения коэффициента квантового усиления излучения над коэффициентом затухания электромагнитной волны в активном элементе. Затухание обратно пропорционально зависит от квадрата величины магнитного поля. Однако в предлагаемом мазере достигается высокий коэффициент усиления за счет прямой накачки верхнего Зеемановского уровня инжекцией электронов из материала со 100% поляризацией. В результате порог генерации достигался уже в полях В0=200-300 Гс.The radiation frequency, both in the prototype and in the proposed maser, is directly proportional to the magnitude of the magnetic field. However, with the same magnetic field in the indium antimonide, the frequency of the spin resonance is almost three times lower than the frequency of the cyclotron resonance (working frequency of the prototype). Moreover, the magnetic field itself, which sets the frequency of spin transitions, in the proposed device can be almost an order of magnitude smaller than the minimum magnetic field at which radiation in the prototype is possible. In the prototype, the minimum field is limited by the need to form an electron cyclotron orbit and is 0 = 1.5-2 kG. In the proposed maser, the minimum field is determined from the condition that the coefficient of quantum gain of radiation exceeds the attenuation coefficient of the electromagnetic wave in the active element. Attenuation is inversely proportional to the square of the magnetic field. However, in the proposed maser, a high gain is achieved due to direct pumping of the upper Zeeman level by injection of electrons from a material with 100% polarization. As a result, the generation threshold was already reached in the fields B 0 = 200-300 G.
Следовательно, использование спиновых степеней свободы электрона позволяет предлагаемому устройству работать в более низких полях, чем это может прототип, и при этом в одних и тех же полях получать в три раза меньшую частоту. Таким образом, максимальная длина волны может быть увеличена почти в 30 раз вплоть до единиц сантиметров при сохранении возможности излучения в субмиллиметровом диапазоне, поскольку величина максимального магнитного поля ничем не ограничена.Therefore, the use of spin degrees of freedom of the electron allows the proposed device to work in lower fields than the prototype can, and at the same time to obtain three times lower frequency in the same fields. Thus, the maximum wavelength can be increased by almost 30 times up to a few centimeters while maintaining the possibility of radiation in the submillimeter range, since the magnitude of the maximum magnetic field is unlimited.
Степень инверсии при транспорте электронов связана с величиной поляризации электронов в инжекторе. Усилительные характеристики активной области тем выше, чем больше степень инверсии. Поэтому для достижения поставленной цели необходимо в качестве материала для изготовления инжектора брать материалы с максимальной степенью поляризации электронов.The degree of inversion during electron transport is related to the magnitude of the polarization of electrons in the injector. The amplification characteristics of the active region are the higher, the greater the degree of inversion. Therefore, to achieve this goal, it is necessary to take materials with a maximum degree of electron polarization as the material for the manufacture of the injector.
Глубина проникновения поляризованных электронов в пластину из n-InSb определяет толщину активной области и может составлять величину от единиц микрометров до одного миллиметра в зависимости от величины тока. Для выполнения поставленной задачи толщина активного элемента выбирается соизмеримой или несколько большей, чем толщина активной области.The penetration depth of polarized electrons into the n-InSb plate determines the thickness of the active region and can range from a few micrometers to one millimeter depending on the current. To accomplish the task, the thickness of the active element is selected commensurate with or slightly greater than the thickness of the active region.
Активная область создается при инжекции в активный элемент электронов из инжектора в точках соприкосновения с инжектором. Для выполнения поставленной задачи необходимо, чтобы активная область была непрерывной, а не в виде островков, возникающих вблизи точек касания инжектора с активным элементом и окруженных пассивным, поглощающим материалом, контакт должен быть сплошным и плотным. Для этого контактные поверхности делаются плоскими и гладкими, с величиной шероховатости не более 1 мкм. Для этого же контактные поверхности инжектора и активного элемента должны быть совмещены. Размер площади пластины активного элемента выбирается из конструктивных соображений, так как на работоспособность предлагаемого устройства влияния не оказывает.The active region is created by injection of electrons from the injector into the active element at the points of contact with the injector. To accomplish the task, it is necessary that the active region be continuous, and not in the form of islands that arise near the points of contact of the injector with the active element and surrounded by passive, absorbing material, the contact should be solid and dense. For this, the contact surfaces are made flat and smooth, with a roughness value of not more than 1 μm. For this, the contact surfaces of the injector and the active element must be combined. The size of the plate area of the active element is selected from design considerations, since it does not affect the performance of the proposed device.
Минимальная толщина инжектора определяется толщиной пленки из ферромагнитного материала, которая для достижения поставленной цели должна быть заведомо больше, чем несколько сотен периодов решетки, чтобы ее магнитные характеристики были близки к характеристикам массивных образцов. Максимальная толщина инжектора непосредственного влияния на работу устройства не оказывает и определяется соображениями Джоулева нагрева устройства при протекании через него электрического тока. Для снижения Джоулева нагрева необходимо использовать материалы для инжектора с удельным сопротивлением не более 10-2 Ом·см и не очень толстые, например толщиной 1 мм. При таких параметрах ток величиной 10 А, протекающий в течение 10 мкс, вызывает нагрев инжектора менее одного градуса Кельвина.The minimum thickness of the injector is determined by the thickness of the film of ferromagnetic material, which in order to achieve this goal must be known to be more than several hundred lattice periods so that its magnetic characteristics are close to those of bulk samples. The maximum thickness of the injector does not directly affect the operation of the device and is determined by considerations of the Joule heating of the device when an electric current flows through it. To reduce the Joule heating, it is necessary to use materials for the injector with a specific resistance of not more than 10 -2 Ohm · cm and not very thick, for example, 1 mm thick. With these parameters, a current of 10 A flowing for 10 μs causes the injector to heat less than one degree Kelvin.
От концентрации носителей в активном элементе зависит выходная мощность мазера: чем выше концентрация, тем больше может быть достигнута мощность. Однако при концентрациях выше 1015 см-3 происходит укорочение времени спин-спиновой релаксации, падает коэффициент усиления и, следовательно, выходная мощность. Таким образом, концентрация носителей в активном элементе из антимонида индия выбрана 1014-1015 см-3.The output power of the maser depends on the concentration of carriers in the active element: the higher the concentration, the more power can be achieved. However, at concentrations above 10 15 cm –3 , the spin-spin relaxation time is shortened, the gain and, therefore, the output power decrease. Thus, the concentration of carriers in the active element from indium antimonide was selected 10 14 -10 15 cm -3 .
В квантовом генераторе (мазере) электромагнитное излучение возникает в результате многократного усиления собственного спонтанного (шумового) излучения. В активном элементе необходимо создать условия для эффективного взаимодействия усиливаемой электромагнитной волны с электроном. Такие условия достигаются, когда при вынужденном переходе электрическая компонента электромагнитной волны взаимодействует с электродипольным моментом электрона. Вероятность электродипольных переходов в 105 раз больше вероятности магнитодипольных переходов, происходящих, например, при электронном парамагнитном резонансе. Электродипольные переходы с переворотом спина в InSb реализуются при намагничивании этого материала вдоль кристаллической оси <110> (перпендикулярно плоскости (110) кристалла). С другой стороны, чтобы глубина проникновения электронов в активный элемент не уменьшалась за счет искривления траектории движения в магнитном поле, электроны необходимо направлять в активный элемент вдоль магнитного поля. Поэтому для достижения поставленной задачи контактная поверхность активного элемента выполняется параллельной плоскости (110) кристалла, а электроны инжектируются перпендикулярно плоскости контакта.In a quantum generator (maser), electromagnetic radiation arises as a result of multiple amplification of its own spontaneous (noise) radiation. In the active element, it is necessary to create conditions for the effective interaction of the amplified electromagnetic wave with the electron. Such conditions are achieved when, during a forced transition, the electric component of the electromagnetic wave interacts with the electric dipole moment of the electron. The probability of electric dipole transitions is 10 5 times higher than the probability of magnetic dipole transitions that occur, for example, in electron paramagnetic resonance. The electric dipole transitions with spin flip in InSb are realized upon magnetization of this material along the crystalline axis <110> (perpendicular to the plane (110) of the crystal). On the other hand, so that the penetration depth of electrons into the active element does not decrease due to the curvature of the trajectory of motion in a magnetic field, electrons must be sent to the active element along the magnetic field. Therefore, to achieve the task, the contact surface of the active element is parallel to the plane (110) of the crystal, and electrons are injected perpendicular to the plane of contact.
Максимальная рабочая температура квантового генератора определяется конкуренцией двух процессов: скоростью накачки верхнего уровня и скоростью выравнивания заселенностей за счет теплового движения частиц. Скорость накачки, как в предлагаемом устройстве, так и в прототипе, примерно одинакова и определяется величиной тока. Выравнивание заселенностей происходит за время релаксации импульса τm (в прототипе) и за время спиновой релаксации τs (в предлагаемом мазере), которое обычно много больше времени релаксации импульса (в n-InSb отношение τs/τm может достигать нескольких порядков). Несмотря на то, что оба времени укорачиваются с повышением температуры, соотношение τs>>τm остается в силе. Поэтому предлагаемый мазер может работать при более высоких температурах, чем прототип. В предлагаемом мазере излучение наблюдалось вплоть до 200 К. Использование спиновых степеней свободы электронов обеспечивает повышение рабочей температуры по сравнению с прототипом почти в 3 раза, что расширяет область применения заявляемого мазера и упрощает условия его эксплуатации.The maximum operating temperature of a quantum generator is determined by the competition of two processes: the upper-level pumping rate and the population leveling rate due to the thermal motion of the particles. The pump speed, both in the proposed device and in the prototype, is approximately the same and is determined by the magnitude of the current. The population leveling occurs during the pulse relaxation time τ m (in the prototype) and during the spin relaxation time τ s (in the proposed maser), which is usually much longer than the pulse relaxation time (in n-InSb, the ratio τ s / τ m can reach several orders of magnitude). Despite the fact that both times are shortened with increasing temperature, the ratio τ s >> τ m remains valid. Therefore, the proposed maser can operate at higher temperatures than the prototype. In the proposed maser, radiation was observed up to 200 K. The use of spin degrees of freedom of electrons provides an increase in the operating temperature by almost 3 times compared with the prototype, which expands the scope of the claimed maser and simplifies the conditions for its operation.
Изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:
фиг.1 - схема твердотельного мазера на электронах проводимости;figure 1 - diagram of a solid state maser on conduction electrons;
фиг.2 - продольный разрез устройства.figure 2 is a longitudinal section of the device.
Твердотельный мазер на электронах проводимости представляет собой контактную структуру, состоящую из активного элемента 1 и инжектора 2. Активный элемент 1 выполнен из монокристалла полупроводника антимонида индия (n-InSb) с концентрацией носителей 1014-1015 см-3 и имеет форму пластины толщиной 0.8 мм и площадью 2×2 мм2. Одна из широких сторон пластины делается плоской и полируется. Степень шероховатости не более 1 мкм. На противоположную сторону пластины наносится слой 3 золота и припаивается токовый контакт 4 из медной проволоки. Полированная контактная поверхность активного элемента 1 должна быть параллельна кристаллической плоскости (110) монокристалла полупроводника антимонида индия (n-InSb), из которого изготовлен активный элемент. Инжектор 2 - также имеет форму пластины и изготавливается из ферромагнитного материала с высокой степенью поляризации электронов проводимости. В качестве материала для инжектора взят сплав Гейслера Co2MnSn (TC=826 К). Кроме того, для инжектора могут быть использованы ферромагнитные полупроводники EuO0.98Gd0.02O (TC=130 К), HgCr2Se4 (TC=120-130 К) или сплавы Гейслера (полуметаллические ферромагнетики) Ni2MnSn (TC=340 К), Co2MnSb (TC=478 К) или манганиты La0.8Ba0.2MnO3 (TC=250 К), La0.8Si0.2MnO3 (TC=308 К). Удельное сопротивление материалов не должно быть больше, чем 10-2 Ом·см.A solid-state maser on conduction electrons is a contact structure consisting of an
Инжектор 2 выполняется приблизительно такого же размера, с такой же подготовкой и такой же полировкой. На поверхность, противоположную полированной, также наносится слой 3 золота и припаивается токовый контакт 4. Полированные поверхности активного элемента 1 и инжектора 2 плотно прижаты друг к другу вдоль нормали этих поверхностей с помощью специального приспособления (не показано).The
Инжектор 2 из сплавов Гейслера может быть получен в виде пленки толщиной 0.5-1 мкм, нанесенной на полированную поверхность активного элемента 1 из полупроводника антимонида индия (n-InSb), например, путем термического распыления в вакууме.The
Твердотельный мазер на электронах проводимости работает следующим образом. Твердотельный мазер располагается в волноводе, например, 8-миллиметровом прямоугольном, плоскость контакта активного элемента 1 и инжектора 2 при этом параллельна широкой стенке волновода (не показан). Активный элемент 1 с помощью токового контакта 4 гальванически соединен с волноводом. Магнитное поле величиной от 450 Гс до 25 кГс прикладывается перпендикулярно плоскости контакта вдоль направления оси <110> полупроводника антимонида индия (n-InSb). Устройство охлаждается до температуры 180 К. (При использовании для инжектора таких материалов, как ферромагнитные полупроводники с температурой Кюри TC=120-130 К, рабочая температура должна быть ниже TC.) К инжектору 2 прикладывается отрицательный потенциал источника тока, например, формирователя импульсов тока величиной I=0.5-10 А и длительностью 1-20 мкс. Под действием электрического поля, создаваемого формирователем импульсов тока, спин-поляризованные электроны из инжектора 2 транспортируются в активный элемент 1 на глубину от нескольких единиц до сотни микрометров (в зависимости от величины электрического поля, вызывающего ток). В активном элементе под всей площадью контакта создается активная область с толщиной, равной глубине проникновения электронов из инжектора. Генерация излучения из активной области возникает за счет усиления собственных тепловых шумов, стимулирующих переходы между Зеемановскими уровнями электронов проводимости. Излучение в виде пакетов квантов с равновероятными направлениями в плоскости контакта активного элемента 1 и инжектора 2 распространяется параллельно этой плоскости.A solid state maser based on conduction electrons works as follows. A solid-state maser is located in the waveguide, for example, an 8-mm rectangular one, the contact plane of the
Частота излучения f=ωs/2π, длина волны λ=c/f,The radiation frequency f = ω s / 2π, the wavelength λ = c / f,
где с - скорость света.where c is the speed of light.
Минимальное магнитное поле, при котором работает твердотельный мазер на электронах проводимости, определяется конкуренцией квантового коэффициента усиления и затухания электромагнитной волны в n-InSb и может быть приблизительно оценено из условий порога генерации:The minimum magnetic field at which a solid-state maser operates on conduction electrons is determined by the competition of the quantum gain and attenuation of the electromagnetic wave in n-InSb and can be approximately estimated from the conditions of the generation threshold:
Р=P0exp[(k1σIp-k2/B2 0)L],P = P 0 exp [(k 1 σIp-k 2 / B 2 0 ) L],
где k1 и k2 - коэффициенты пропорциональности, Р и Р0 - выходная и начальная мощности, p - коэффициент поляризации p=(N2-N1)/(N2+N1), N2 и N1 - плотности заселенностей верхнего и нижнего уровней соответственно, I - ток, σ - сечение вынужденных переходов между уровнями, L - длина активной области, В0 - внешнее магнитное поле.where k 1 and k 2 are the proportionality coefficients, P and P 0 are the output and initial powers, p is the polarization coefficient p = (N 2 -N 1 ) / (N 2 + N 1 ), N 2 and N 1 are the population densities the upper and lower levels, respectively, I is the current, σ is the cross section of the forced transitions between the levels, L is the length of the active region, B 0 is the external magnetic field.
В твердотельном мазере при токе I=1 А генерация начиналась в поле B0≈350 Гс, что соответствовало длине волны около одного сантиметра.In a solid-state maser at a current I = 1 A, lasing began in a field B 0 ≈350 G, which corresponded to a wavelength of about one centimeter.
Начальная мощность P0 тепловых шумов, усиление которых вызывает генерацию, при Т=100 К порядка Р0≈10-12 Вт. При выходной мощности в миллиметровом диапазоне Р0≈10-5 Вт это соответствует коэффициенту усиления 107.The initial power P 0 of thermal noise, the amplification of which causes generation, at T = 100 K is of the order of P 0 ≈10 -12 W. When the output power in the millimeter range is P 0 ≈ 10 -5 W, this corresponds to a gain of 10 7 .
Предельная мощность генерации при 100% поляризации тока инжектируемых электронов (р=1), приведенная к величине тока для длин волн λ=8 мм и λ=0.1 мм, составляет 75 мкВт/А и 6 мВт/А соответственно.Ultimate Generation Power at 100% polarization of the current of injected electrons (p = 1), reduced to the current value for wavelengths λ = 8 mm and λ = 0.1 mm, is 75 μW / A and 6 mW / A, respectively.
Спектральный анализ частоты излучения в миллиметровом диапазоне длин волн проводился с использованием проходных резонаторов с известными собственными частотами резонанса и добротностью. Измерения показали, что в полях с индукцией В0 460, 530 и 700 Гс электромагнитное излучение имеет частоту f 33.4; 38 и 51 ГГц, что соответствует длинам волн λ 9, 8 и 5.8 мм. Расчетная длина волны λ в поле B0=23 кГс порядка 0.018 мм. Таким образом, мазер излучает в миллиметровом диапазоне волн и сохраняет возможность излучения в субмиллиметровом диапазоне.Spectral analysis of the radiation frequency in the millimeter wavelength range was carried out using pass-through resonators with known natural resonance frequencies and quality factor. Measurements showed that in fields with induction B 0 460, 530 and 700 G, electromagnetic radiation has a frequency f 33.4; 38 and 51 GHz, which corresponds to wavelengths of λ 9, 8 and 5.8 mm. The calculated wavelength λ in the field B 0 = 23 kG is of the order of 0.018 mm. Thus, the maser emits in the millimeter wave range and preserves the possibility of radiation in the submillimeter range.
Измерение величины магнитного поля в диапазоне от 200 Гс до 23 кГс производилось датчиком Холла, калиброванным с помощью ядерного магнетометра.The magnetic field was measured in the range from 200 Gs to 23 kGs by a Hall sensor calibrated using a nuclear magnetometer.
Регулирование и поддержание температуры в диапазоне от 4.2 до 300 К осуществлялось с помощью гелиевого прокачного криостата.Temperature was controlled and maintained in the range from 4.2 to 300 K using a helium pumping cryostat.
Измерение температуры в диапазоне от 4.2 до 100 К производилось с помощью германиевого термометра, а в диапазоне от 70 до 300 К с помощью стандартной термопары «медь-константан».Temperature was measured in the range from 4.2 to 100 K using a germanium thermometer, and in the range from 70 to 300 K using a standard copper-constantan thermocouple.
Излучение регистрировалось в диапазоне температур от 4.2 до 200 К, при использовании в качестве инжектора сплавов Гейслера или манганитов.The radiation was recorded in the temperature range from 4.2 to 200 K, when using Geisler alloys or manganites as an injector.
Таким образом, диапазон рабочих температур расширен с 77 К (прототип) до 200 К.Thus, the operating temperature range was expanded from 77 K (prototype) to 200 K.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007126305/28A RU2351045C1 (en) | 2007-07-10 | 2007-07-10 | Solid maser on conduction electrons |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007126305/28A RU2351045C1 (en) | 2007-07-10 | 2007-07-10 | Solid maser on conduction electrons |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2351045C1 true RU2351045C1 (en) | 2009-03-27 |
Family
ID=40543050
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007126305/28A RU2351045C1 (en) | 2007-07-10 | 2007-07-10 | Solid maser on conduction electrons |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2351045C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2464683C1 (en) * | 2011-04-26 | 2012-10-20 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Solid-state electromagnetic radiation source |
RU2617732C1 (en) * | 2015-12-18 | 2017-04-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Solid-state source of electromagnetic radiation |
CN111478043A (en) * | 2019-01-24 | 2020-07-31 | 纳塞尔科技公司 | Electromagnetic radiation generating device in the nanometer range |
-
2007
- 2007-07-10 RU RU2007126305/28A patent/RU2351045C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2464683C1 (en) * | 2011-04-26 | 2012-10-20 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Solid-state electromagnetic radiation source |
RU2617732C1 (en) * | 2015-12-18 | 2017-04-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Solid-state source of electromagnetic radiation |
CN111478043A (en) * | 2019-01-24 | 2020-07-31 | 纳塞尔科技公司 | Electromagnetic radiation generating device in the nanometer range |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9966720B2 (en) | Diamond maser and microwave amplifier | |
Wittke | Molecular amplification and generation of microwaves | |
US7430074B2 (en) | Generation of Terahertz waves | |
Bründermann et al. | High duty cycle and continuous terahertz emission from germanium | |
Idehara et al. | The potential of the gyrotrons for development of the sub-terahertz and the terahertz frequency range—A review of novel and prospective applications | |
Sun et al. | Adiabatic amplification of plasmons and demons in 2D systems | |
Arroo et al. | Perspective on room-temperature solid-state masers | |
RU2351045C1 (en) | Solid maser on conduction electrons | |
Bowers et al. | Plasma effects in solids | |
Löcherer et al. | Parametric electronics: an introduction | |
Hovenier et al. | Active mode locking of a p-Ge hot hole laser | |
RU2356128C2 (en) | Method for generation of microwave electromagnet oscillations | |
Bründermann | Widely tunable far infrared hot hole semiconductor lasers | |
Bründermann et al. | Novel design concepts of widely tunable germanium terahertz lasers | |
WO2001023956A2 (en) | A radiation source | |
US5784397A (en) | Bulk semiconductor lasers at submillimeter/far infrared wavelengths using a regular permanent magnet | |
Chynoweth et al. | Solid‐state plasma | |
EP0503624B1 (en) | Microwave processing equipment | |
US3763407A (en) | Solid state oscillator-detector device of electromagnetic waves | |
Gavrilenko et al. | Negative mass cyclotron resonance maser | |
US6515539B1 (en) | Microwave devices based on chemically induced dynamic electron spin polarization | |
Grigorev | Terahertz Electronics | |
Chamberlin et al. | Planar contact geometry for far-infrared germanium lasers | |
Drury et al. | A stimulated inelastic tunneling theory of negative differential resistance in metal-insulator-metal diodes | |
US3533011A (en) | Solid state plasma maser |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150711 |