Оптичним лазерам незабаром складуть конкуренцію мікрохвильові мазери. Створено твердотільний мазер, що працює при кімнатній температурі, - пристрій, що знайде широке застосування щонайменше у космічному зв'язку та радіолокації.

Усі знають, що лазер випромінює в оптичному діапазоні, хоча далеко не кожний скаже, що лазер є квантовим генератором.

Під терміном «квантовий генератор» маються на увазі джерела електромагнітного випромінювання, що працюють на основі вимушеного випромінювання атомів і молекул. Вимушене випромінювання - це генерація нового фотона при переході квантової системи (атома, молекули, ядра і т.д.) зі збудженого у стабільний стан (менший енергетичний рівень) під впливом індукуючого фотона, енергія якого була рівна різниці енергій рівнів. Створений фотон має ту ж енергію, імпульс, фазу та поляризацію, що й індукуючий фотон (який при цьому не поглинається), і обидва фотони є когерентними.

Слово «лазер» є акронімом від англійської фрази light amplification by stimulated emission of radiation - «посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання». Якщо ж такий генератор випромінює мікрохвилі (тобто довжина хвилі його випромінювання дорівнює не кільком тисячам ангстрем, як в оптичного випромінювання (1 ангстрем = 10^-10 м), а кільком сантиметрам), то такий генератор називається мазер (microwave amplification by stimulated emission of radiation - «посилення мікрохвиль за допомогою вимушеного випромінювання»).

Із цим діапазоном знайомий кожен із нас: мікрохвильове випромінювання великої інтенсивності використовується для безконтактного нагрівання тіл у мікрохвильових печах, а мікрохвильове випромінювання малої інтенсивності - для супутникового зв'язку, у стільникових телефонах і для передачі інформації через WiFi та Bluetooth.

Перші мазери були незалежно створені у 1954 році радянськими фізиками Олександром Прохоровим і Миколою Басовим, а також їхнім американським колегою Чарльзом Таунсом. За цей винахід усі троє у 1964 році одержали Нобелівську премію по фізиці. Створені ними мазери використовували трьохрівневу схему накачування, за якою робоче тіло випромінювача накачується енергією за допомогою іншого джерела мікрохвильового випромінювання. У результаті атоми водню чи інших речовин переходять зі стану спокою на новий енергетичний рівень.

Відразу після створення мазерів вважалося, що вони є винаходом людини. Але буквально через рік після вручення Прохорову, Басову і Таунсу Нобелівської премії астрономи виявили, що деякі з далеких галактик працюють як велетенські мазери. У величезних газових хмарах, розміром у мільярди кілометрів, виникають умови для генерації когерентного радіовипромінювання, а джерелом накачування енергії служить космічне випромінювання.

Рукотворні мазери використовуються у техніці (зокрема, у космічному зв'язку та у радіолокації), у фізичних дослідженнях, а також як квантові генератори стандартної частоти.

Однак лазери одержали набагато більше застосування.

Основна причина цього полягає у тому, що сучасні мазери є газовими випромінювачами і як робоче тіло у них використовуються атоми водню. Такі мазери складаються з великої кількості складних і досить дорогих частин, а їхня вартість може сягати кількох сотень тисяч доларів.

Усі попередні спроби створити більш дешеві твердотільні випромінювачі виявилися невдалими: такі прилади вимагали особливих умов роботи, як, наприклад, температури, близької до абсолютного нуля, вакууму або певного значення магнітного поля.

Мазер, створений Марком Оксбороу та його колегами

Але тепер успіху домоглася група фізиків під керівництвом Марка Оксбороу з Національної фізичної лабораторії у Теддінгтоні (Великобританія). Вивчаючи оптичні та квантові властивості кристалів з органічної речовини - сполуки двох вуглеводнів, пентацену та терфенілу, вчені помітили, що такі кристали можна використовувати для створення принципово нового типу мазера, що використовує принцип накачування, не схожий на техніку роботи класичних мазерів.

Методика Оксбороу та колег описана у статті в журналі Nature і є дворівневою системою накачування. Спочатку кристал пентацену і терфенілу накачується звичайним оптичним лазером. Молекули цієї речовини переходять на новий енергетичний рівень, де електрони в органічному кристалі переходять одночасно на три нижніх енергетичних рівні. Цей перехід супроводжується когерентним випромінюванням фотонів у мікрохвильовому діапазоні, що і є променем мазера.

За словами авторів розробки, такий пристрій здатний працювати при кімнатній температурі та всередині магнітного поля Землі, чого не можуть робити інші моделі твердотільних мазерів.

«Півстоліття мазер був забутим бідним родичем лазера. Наш винахід допоможе мазеру стати затребуваним у промисловості та серед споживачів», - говорить Марко Оксбороу.

Першочергове завдання дослідників - змусити працювати свій мазер у безперервному режимі. Зараз пристрій випромінює лише окремі імпульси тривалістю у долі секунди. Ще одне завдання - знайти інші матеріали (крім пентацену та терфенілу), які також можна було б використовувати для створення твердотільного мазера, що працює при кімнатній температурі.

Джерело: InfoNova.org.ua

За матеріалами: gazeta.ru