Квантовые парамагнитные усилители

Квантовые парамагнитные усилители (КПУ) - сверхвысокочастотные приборы, в которых усиление электромагнитных колебаний происходит за счет вынужденного излучения, обусловленного парамагнитным резонансом [4].

Парамагнетизм наблюдается у атомов переходной группы с неполностью заполненной электронной оболочкой. Вследствие этого результирующий магнитный момент атома (иона) отличен от нуля и имеет спиновую природу.

Рис. 2.1 - Концептуальная диаграмма КПУ

В КПУ используются диэлектрические ионные кристаллы рубина (Аl₂O₃), рутила (ТiO₂), вольфраматa (MgWO₄)с примесью ионов парамагнитных атомов Сr³⁺ или Fе³⁺ и другие вещества. Ансамбль этих парамагнитных ионов и составляет, собственно, активную среду усилителя.

Наиболее широкое применение получили КПУ на рубине. Рубин - это кристалл корунда (Аl₂О₃), в котором небольшая часть (менее 0,1%) диамагнитных ионов алюминия замещена парамагнитными ионами хрома.

В сложных атомах орбитальные моменты количества движения электронов незаполненной оболочки совместно образуют общий орбитальный момент количества движения атома с квантовым числом L [8]. Квантовое число L в зависимости от взаимной ориентации орбитальных моментов электронов принимает значения отличающиеся друг от друга на 1 и заключенных между максимальным и минимальным значениями модуля алгебраической суммы орбитальных квантовых чисел отдельных электронов. Аналогичным образом через модуль алгебраической суммы спиновых чисел электронов определяется квантовое число S.

Наряду с квантовыми числами L и S вводится квантовое число J, определяющее квадрат величины полного момента количества движения атома по формуле h²J(J+1). Квантовое число J при заданных L и S может принимать значения L + S, L+S-1, ... |L-S|, т.е. в случае S£ L, 2S+1 значений. Если L < S, то J может принимать 2L+1 различных значений. Так как каждому значению J соответствует определенная энергия взаимодействия, то спин - орбитальное взаимодействие приводит к тому, что каждый одиночный вырожденный энергетический уровень расщепляется на 2S+1 или 2L+1 подуровня. Расчеты показывают, что энергия атома в каждом его стационарном состоянии (задаваемом числами L,S,J) при наличии внешнего магнитного поля напряженностью Н изменится на величину

∆W=gP₀HM_J ,                                                                         (6)

где g - так называемый гиромагнитный фактор или фактор Ланде, определяемый числами L, S, J;

 - магнетон Бора,

где е, m - соответственно заряд и масса электрона, с - скорость света. При L=0 магнитный момент атома имеет чисто спиновое происхождение и g=2.

Так как магнитное квантовое число М_J имеет 2J + 1 различных значений, то согласно (4) каждый стационарный энергетический уровень атома расщепляется в магнитном ионе на 2J + 1 уровней. Расстояние между соседними уровнями (∆M_J =1) равно

W=gP₀H                                                                               (7)

Расщепление энергетических уровней атома в магнитном поле носит название эффекта Зеемана. Этот эффект широко используется в квантовых приборах СВЧ диапазона для получения системы с наперед заданным расстоянием между энергетическими уровнями [9].