如果你是一位無線電愛好者,那么你應該對用鋅鐵礦、硫鉛礦、黃鐵礦等具有半導體特性的礦石制造的礦石收音機并不陌生。不過,今天科學家已經制造出了更加高大上的鉆石收音機。
哈佛大學約翰·A·鮑爾森工程和應用科學學院(John A.Paulson School of Engineering and Applied Sciences)塔提賽·林電子工程教授馬克·羅卡(Marko Loncar)領導的研究團隊近日制成了世界上最小的收音機,其核心部件只有2個原子大。
該收音機既不會被生物體排斥,又能耐受極端環境。因此,它可以被植入人類的心臟,也可以被送上高溫高壓的金星表面。羅卡教授和他的研究生邵林波(音譯,Linbo Shao)已將相關論文發表于《應用物理評論》上。
鉆石收音機利用了鉆石中的名為"氮原子-晶格空位"中心(NV)的特殊缺陷:研究小組用1個氮原子替換鉆石晶體中的1個碳原子,并移除這個氮原子旁邊的另1個碳原子。這樣,就形成了1個空位挨著1個氮原子的結構。
這樣的NV中心可以發射單光子,也可以探測到極其微弱的電磁波。此外,NV中心還有受激發光特性,可以把信息轉化成光信號,因此可以成為量子計算、光電和傳感領域的有力工具。
收音機有5個基本部件:電源、天線、下變頻器(把微波波段的信號降低到人耳可聽到的低頻)、喇叭和調諧器(決定收聽哪個波段的信號)。
鉆石收音機中,NV中心的電子被綠色激光(電源)激勵,被激勵后的電子對電磁場(比如,廣播信號)非常敏感。當NV中心收到電磁波后,它發射時變的紅光,紅光傳遞了電磁波攜帶的信息。光電二極管把紅光轉化為電流,電流驅動喇叭發出聲音。
這個收音機如何選臺呢?在鉆石收音機附近施加一個強電磁場,這個電磁場決定鉆石收音機的NV中心對哪個頻率敏感。單個NV中心一次只能發射一個光子,因此,邵和羅卡使用了幾十億個NV中心來發射的紅光信號,以便讓收音機發聲。
鉆石是物理和化學特定非常穩定的物質,因此鉆石收音機可以在極端條件下工作——實驗中,鉆石收音機在350攝氏度的高溫下還能正常放歌。羅卡教授表示,鉆石收音機的穩定特性將使得它在太空,極端環境和植入人體的醫療設備中大放異彩。