Оптическим лазерам вскоре составят конкуренцию микроволновые мазеры. Создан твердотельный мазер, работающий при комнатной температуре, – устройство, которое найдет широкое применение как минимум в космической связи и радиолокации (кратко об этом мы уже писали).

Все знают, что лазер излучает в оптическом диапазоне, хотя далеко не каждый скажет, что лазер является квантовым генератором.

Под термином «квантовый генератор» подразумеваются источники электромагнитного излучения, работающие на основе вынужденного излучения атомов и молекул. Вынужденное излучение – это генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбужденного в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается), и оба фотона являются когерентными.

Слово «лазер» представляет собой акроним от английской фразы light amplification by stimulated emission of radiation – «усиление света посредством вынужденного излучения». Если же такой генератор излучает микроволны (то есть длина волны его излучения равна не нескольким тысячам ангстрем, как у оптического излучения (1 ангстрем = 10^-10 м), а нескольким сантиметрам), то такой генератор называется мазер (microwave amplification by stimulated emission of radiation – «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»).

С этим диапазоном также знаком каждый из нас: микроволновое излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел в микроволновых печах, а микроволновое излучение малой интенсивности – для спутниковой связи, в сотовых телефонах и для передачи информации через WiFi или Bluetooth.

Первые мазеры были независимо созданы в 1954 году советскими физиками Александром Прохоровым и Николаем Басовым, а также их американским коллегой Чарльзом Таунсом. За это изобретение все трое в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике. Созданные им мазеры использовали трехуровневую схему накачки, по которой рабочее тело излучателя накачивается энергией при помощи другого источника микроволнового излучения. В результате атомы водорода или других веществ переходят из состояния покоя на новый энергетический уровень.

Сразу после создания мазеров считалось, что они являются изобретением человека. Но буквально через год после вручения Прохорову, Басову и Таунсу Нобелевской премии астрономы обнаружили, что некоторые из далеких галактик работают как исполинские мазеры. В огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации когерентного радиоизлучения, а источником накачки служит космическое излучение.

Рукотворные мазеры используются в технике (в частности, в космической связи и в радиолокации), в физических исследованиях, а также как квантовые генераторы стандартной частоты.

Однако лазеры получили гораздо большее применение.

Основная причина этого состоит в том, что современные мазеры являются газовыми излучателями и в качестве рабочего тела в них используются атомы водорода. Такие мазеры состоят из большого количества сложных и довольно дорогих частей, а их стоимость может достигать нескольких сотен тысяч долларов.

Все предыдущие попытки создать более дешевые твердотельные излучатели оказались неудачными: такие приборы требовали особых условий работы, как, например, температуры, близкой к абсолютному нулю, вакуума или определенного значения магнитного поля.

Но теперь успеха добилась группа физиков под руководством Марка Оксбороу из Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Великобритания). Изучая оптические и квантовые свойства кристаллов из органического вещества – соединения двух углеводородов, пентацена и терфенила, ученые заметили, что такие кристаллы можно использовать для создания принципиально нового типа мазера, который использует принцип накачки, не похожий на технику работы классических мазеров.

Методика Оксбороу и коллег описана в статье в журнале Nature и представляет собой двухуровневую систему накачки. Сначала кристалл пентацена и терфенила накачивается обычным оптическим лазером. Молекулы этого вещества переходят на новый энергетический уровень, где электроны в органическом кристалле переходят одновременно на три нижних энергетических уровня. Этот переход сопровождается когерентным излучением фотонов в микроволновом диапазоне, что и является лучом мазера.

По словам авторов разработки, такое устройство способно работать при комнатной температуре и внутри магнитного поля Земли, чего не могут делать другие модели твердотельных мазеров.

«Полвека мазер был забытым бедным родственником лазера. Наше изобретение поможет мазеру быть востребованным в промышленности и среди потребителей», – говорит Марк Оксбороу.

Первоочередная задача исследователей – заставить работать свой мазер в непрерывном режиме. Сейчас устройство излучает лишь отдельные импульсы продолжительностью в доли секунды. Еще одна задача – найти другие материалы (помимо пентацена и терфенила), которые также можно было бы использовать в создании твердотельного мазера, работающего при комнатной температуре.

В комментарии Аарона Бланка из Техниона (Израильский институт технологий в Хайфе), который в журнале Nature сопровождает публикацию Оксбороу и коллег, говорится, что

их разработку «можно рассматривать как первый шаг на пути к созданию космических коммуникаций, с помощью которых мы могли бы разговаривать с инопланетянами».