固体メーザー

固体メーザー（）とは、固体の利得媒質で発振するメーザー。

 概要 
従来の固体メーザー発振には高真空と希釈冷凍機を必要とする4Kの極低温を必要としていたため装置が大掛かりなため後に開発されたレーザーと比較して応用範囲が限られ普及が進んでいなかった。

2002年に日本の研究者達によってレーザーでペンタセンを添加した有機結晶を励起することによりメーザー発振する可能性が提案されたTakeda, Kazuyuki, K. Takegoshi, and Takehiko Terao. "Zero-field electron spin resonance and theoretical studies of light penetration into single crystal and polycrystalline material doped with molecules photoexcitable to the triplet state via intersystem crossing." The Journal of chemical physics 117.10 (2002): 4940-4946.。

2007年にダイヤモンド窒素-空孔中心を利用した常温でのメーザーが提案されたPoklonski, N. A., et al. "Nitrogen-doped chemical vapour deposited diamond: a new material for room-temperature solid state maser." Chinese Physics Letters 24.7 (2007): 2088.。

2012年にペンタセンを添加したP-テルフェニルの結晶を緑色レーザーで励起してパルスモードで発振する室温メーザーが開発された。熱的特性と機械的特性が比較的劣り、パルスモードでしか動作できなかったOxborrow, Mark, Jonathan D. Breeze, and Neil M. Alford. "Room-temperature solid-state maser." Nature 488.7411 (2012): 353.。2015年には量子ドットメーザーの発振が発表されたGullans, M. J., et al. "Phonon-assisted gain in a semiconductor double quantum dot maser." Physical review letters 114.19 (2015): 196802.Liu, Y-Y., et al. "Semiconductor double quantum dot micromaser." Science 347.6219 (2015): 285-287.。

2018年3月にインペリアル・カレッジ・ロンドンの研究チームが半導体メーザーの室温での連続発振に成功したBreeze, Jonathan D., et al. "Continuous-wave room-temperature diamond maser." Nature 555.7697 (2018): 493.。

 原理 
レーザーでダイヤモンド結晶内の空孔中心を励起することにより発振させる。

 応用例 
従来は絶対零度付近での発振だったが、室温での連続発振が可能になったことにより、広範囲での応用が期待される。従来はX線を使用していたトモグラフィや非破壊検査や医療診断への適用や禁止薬物や地雷等の爆発物の検出への適用が想定される。

 半導体メーザー 
固体メーザーの一種である半導体メーザーは渡辺寧、西澤潤一によって半導体レーザーよりも早くから着想されていたにもかかわらず特公昭35-13787、室温での連続発振に成功したのは2018年になってからであった。
1960年代初頭の半導体レーザーの黎明期には半導体レーザーを半導体メーザーと呼んでいた時期があったため、当時の文献には半導体メーザーの記述が散見されるQuist, Ted M., et al. "Semiconductor maser of GaAs." Applied Physics Letters 1.4 (1962): 91-92.Melngailis, I., A. J. Strauss, and R. H. Rediker. "Semiconductor diode masers of (In x Ga 1-x) As." Proceedings of the IEEE 51.8 (1963): 1154-1155.Johnson, L. F., et al. "Continuous operation of a solid-state optical maser." Physical Review 126.4 (1962): 1406.。

現時点ではキャリア注入による直接発振ではなくダイヤモンド窒素-空孔中心を緑色半導体レーザーで励起することによって間接的に発振させているもので、かつて特公昭35-13787に記載されていたのはキャリア注入型の半導体メーザー発振器であり、これは2018年現在、室温での連続発振には至っていない。

 脚注 

 参考文献 
 Schietinger, Stefan, and Oliver Benson. "Coupling single NV-centres to high-Q whispering gallery modes of a preselected frequency-matched microresonator." Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 42.11 (2009): 114001.
 Kraus, H., et al. "Room-temperature quantum microwave emitters based on spin defects in silicon carbide." Nature Physics 10.2 (2014): 157.
 Jin, Liang, et al. "Proposal for a room-temperature diamond maser." Nature communications 6 (2015): 8251.
 Bradac, Carlo, et al. "Room-temperature spontaneous superradiance from single diamond nanocrystals." Nature communications 8.1 (2017): 1205.

 書籍 
 The Solid State Maser: The Commonwealth and International Library: Selected Readings in Physics J. W. Orton, D. H. Paxman, J. C. Walling ISBN 9781483159270

 特許 
  Solid-state organic maser
  Diamond maser and microwave amplifier

 関連項目 
 半導体レーザー
 色中心レーザー
 量子エレクトロニクス
 マイクロ波工学
 超放射

Category:電子工学
Category:量子力学
Category:マイクロ波