ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ МАЗЕР НА ЭЛЕКТРОНАХ ПРОВОДИМОСТИ Российский патент 2009 года по МПК H01S1/02 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 :

Ω=(qB₀)/m,

где q - заряд электрона;

В₀ - внешнее магнитное поле;

m - эффективная масса электрона, в n-InSb m=0.014m_0,

m₀ - масса покоя электрона,

- постоянная Планка.

Переходы с высших уровней Ландау на основной сопровождаются излучением электромагнитной волны на частоте ω_c=S Ω, где S - целое число 1, 2, 3 и т.д.

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/τ_m, где τ_m - 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.

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.

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.

При этом:

- 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 (T_C) выше рабочей температуры;

- в качестве ферромагнитных полупроводников могут быть взяты Eu_0.98Gd_0.02O (T_C=130 К), HgCr₂Se₄(T_C=120-130 К);

- в качестве полуметаллических ферромагнетиков могут быть взяты сплавы Гейслера Co₂MnSn (T_C=826 К), Ni₂MnSn (T_C=340 К), Co₂MnSb (T_C=478 К);

- в качестве ферромагнитных проводящих манганитов могут быть взяты La_0.8Ва_0.2MnO₃ (T_C=250 К), La_0.8Si_0.2MnO₃ (T_C=308 К);

- толщина активного элемента равна 0.5 - 1 мм, концентрация носителей в нем составляет 10¹⁴-10¹⁵ см^-3;

- контактная поверхность активного элемента параллельна кристаллической плоскости (110) антимонида индия.

Сущность изобретения заключается в следующем.

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 ω_s 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.

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 ω_s такого вынуждающего поля называется частотой спинового резонанса и равна частоте кванта электромагнитной энергии, излучаемой или поглощаемой электроном при переходе.

где g - фактор электрона проводимости, в InSb g=-52,

μ_B - магнетон Бора,

- постоянная Планка.

При этом отношение частоты циклотронного резонанса (прототип) к частоте спинового резонанса 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.

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.

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, EuO_0.98Gd_0.02O (T_C=130 К), HgCr₂Se₄ (T_C=120-130 К), Co₂MnSn (T_C=826 К), Ni₂MnSn (T_C=340 К), Co₂MnSb (T_C=478 К), La_0.8Ва_0.2MnO₃ (T_C=250 К), La_0.8Sr_0.2MnO₃ (T_C=308 К).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 τ_m (в прототипе) и за время спиновой релаксации τ_s (в предлагаемом мазере), которое обычно много больше времени релаксации импульса (в n-InSb отношение τ_s/τ_m может достигать нескольких порядков). Несмотря на то, что оба времени укорачиваются с повышением температуры, соотношение τ_s>>τ_m 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.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг.1 - схема твердотельного мазера на электронах проводимости;

фиг.2 - продольный разрез устройства.

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 (T_C=826 К). Кроме того, для инжектора могут быть использованы ферромагнитные полупроводники EuO_0.98Gd_0.02O (T_C=130 К), HgCr₂Se₄ (T_C=120-130 К) или сплавы Гейслера (полуметаллические ферромагнетики) Ni₂MnSn (T_C=340 К), Co₂MnSb (T_C=478 К) или манганиты La_0.8Ba_0.2MnO₃ (T_C=250 К), La_0.8Si_0.2MnO₃ (T_C=308 К). Удельное сопротивление материалов не должно быть больше, чем 10^-2 Ом·см.

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).

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.

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 T_C=120-130 К, рабочая температура должна быть ниже T_C.) 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.

Частота излучения f=ω_s/2π, длина волны λ=c/f,

где с - скорость света.

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:

Р=P₀exp[(k₁σIp-k₂/B² 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.

В твердотельном мазере при токе I=1 А генерация начиналась в поле B₀≈350 Гс, что соответствовало длине волны около одного сантиметра.

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.

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.

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.

Измерение величины магнитного поля в диапазоне от 200 Гс до 23 кГс производилось датчиком Холла, калиброванным с помощью ядерного магнетометра.

Регулирование и поддержание температуры в диапазоне от 4.2 до 300 К осуществлялось с помощью гелиевого прокачного криостата.

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».

Излучение регистрировалось в диапазоне температур от 4.2 до 200 К, при использовании в качестве инжектора сплавов Гейслера или манганитов.

Таким образом, диапазон рабочих температур расширен с 77 К (прототип) до 200 К.

Изобретение относится к квантовой радиофизике, более конкретно к твердотельным квантовым генераторам, генерирующим сигналы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах (30 - 1500 ГГц) и может быть использовано в физике для радиоспектроскопии, для коммуникационных технологий, в радиоастрономии и локации, в биологии и химии. Мазер включает активный элемент и инжектор, прилегающие друг другу своими контактными поверхностями, имеющими степень шероховатости не более 1 мкм. На каждой из поверхностей, противоположной контактной, закреплен соответствующий токоподвод. Активный элемент выполнен в форме пластины из монокристалла антимонида индия, толщиной 0.5 - 1 мм, концентрация носителей в нем составляет 10¹⁴-10¹⁵ см^-3. Инжектор выполнен в виде пластины из проводящего ферромагнитного материала с высокой степенью спиновой поляризации электронов проводимости, с удельным сопротивлением не более чем 10^-2 Ом·см, толщиной 0,5 мкм - 1 мм с температурой Кюри выше рабочей температуры. Технический результат: расширение диапазона излучения 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. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Твердотельный мазер на электронах проводимости, включающий 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, отличающийся тем, что инжектор выполнен в виде пластины из проводящего ферромагнитного материала с удельным сопротивлением не более чем 10^-2 Ом·см, толщиной 0,5 мкм - 1 мм и его контактная поверхность также имеет степень шероховатости не более 1 мкм.2. Мазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного материала использован материал с высокой степенью спиновой поляризации электронов проводимости, такой как ферромагнитные полупроводники, полуметаллические ферромагнетики, ферромагнитные проводящие манганиты с температурой Кюри (Т_с) выше рабочей температуры.3. Мазер по п.2, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитных полупроводников могут быть взяты EuO_0.98Gd_0.02O, HgCr₂Se₄.4. Мазер по п.2, отличающийся тем, что в качестве полуметаллических ферромагнетиков могут быть взяты сплавы Гейслера Co₂MnSn, Ni₂MnSn, Co₂MnSb.5. Мазер по п.2, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитных проводящих манганитов могут быть взяты La_0.8Ba_0.2MnO₃, La_0.8Si_0.2MnO₃.6. Мазер по п.1, отличающийся тем, что толщина активного элемента равна 0.5 мм - 1 мм, концентрация носителей в нем составляет 10¹⁴ - 10¹⁵ см^-3.7. Мазер по п.1, отличающийся тем, что контактная поверхность активного элемента параллельна кристаллической плоскости (110) антимонида индия.