На пятнадцать октав выше

Разработанный параллельно английскими и американскими физиками фононный лазер — уникальное устройство по бесконтактному исследованию практически любых нанообъектов. Прибор найдет применение в материаловедении, медицине и компьютерной индустрии. В этой работе англичане обходят американцев на несколько сот гигагерц

На пятнадцать октав выше

В этом году официально отмечается 50-летний юбилей создания первого лазера: 16 мая 1960 года группа сотрудников Исследовательских лабораторий Хьюза (HRL) под руководством Теодора Меймана в калифорнийском Малибу впервые продемонстрировала рабочий прототип твердотельного лазера, генерировавшего импульсы монохроматичного (красного) света очень высокой интенсивности.

Непосредственные предшественники лазеров, мазеры (квантовые генераторы электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне), были сконструированы в 1955 году в Физическом институте им. П. Н. Лебедева (ФИАН) группой советских физиков под руководством Николая Басова и Александра Прохорова, а также независимо от них американцем Чарльзом Таунсом и его сотрудниками. В 1964 году «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера-лазера», всем троим ученым была присуждена Нобелевская премия по физике.

С тех пор ученые разработали огромное количество лазеров разных типов (газовых, полупроводниковых, на парах металлов, на красителях, на свободных электронах и так далее) — устройств, использующих квантовомеханический эффект вынужденного, или стимулированного, излучения для создания когерентного светового потока.

Сегодня лазеры работают в очень широком волновом диапазоне электромагнитного спектра — от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного. Однако до самого последнего времени все эти устройства генерировали исключительно электромагнитное излучение.

И вот незадолго до начала шумных юбилейных торжеств в новостных лентах появилась интригующая информация о том, что сразу две исследовательские группы физиков, американская и британская, независимо друг от друга сконструировали принципиально новый тип таких устройств — сазеры. (SASER — сокращение от английского Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «усиление звуковых волн посредством вынужденного излучения».) В новом устройстве вместо когерентных оптических волн (фотонного излучения) генерируются когерентные акустические волны (так называемые фононы) на сверхвысоких частотах.

Американский аппарат испускает звук с частотой порядка нескольких десятков мегагерц, тогда как британский удалось настроить для генерации акустических волн в гигагерцевом диапазоне (точнее, 440 ГГц), или, если воспользоваться музыкальной аналогией, еще почти на 15 октав выше (хотя и те и другие ультра- и гиперзвуковые частоты совершенно недоступны человеческому уху: мы с состоянии слышать звуки лишь в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц). Столь существенная разница между базовыми характеристиками этих двух устройств позволяет предположить, что в будущем сазеры, так же как и лазеры, смогут работать в весьма широком частотном диапазоне.

Любопытная деталь: статья специалистов Калифорнийского технологического института Керри Вахала, Оскара Пейнтера, Хансук Ли и Ивана Грудинина (последний — 30-летний выпускник физического факультета МГУ) была представлена для публикации в журнале Physical Review Letters еще в середине июля 2009 года, а описание работы группы ученых из Ноттингемского университета — Энтони Кента, Райана Бердсли, Мохамеда Хенини и Андрея Акимова — редакция того же журнала получила в октябре 2009 года.

Обе статьи были опубликованы в одном номере, вышедшем 22 февраля 2010 года, — на тщательную верификацию представленных результатов у экспертов-консультантов Physical Review Letters ушло более полугода.

Фотоны и фононы

[inc pk='1538' service='media']

Свет и звук по многим физическим свойствам весьма схожи. В частности, в соответствии с принципом корпускулярно-волнового дуализма их можно одновременно рассматривать как в виде частиц (корпускул), так и в виде волн. Поэтому если свет — это и корпускулы-фотоны, и электромагнитные волны, то звук — квазичастицы-фононы (кванты колебательного движения атомов кристаллической решетки) и упругие волны, продольно распространяющиеся в различных средах и создающие в них механические колебания.

В классической физике это сходство объясняется прежде всего тем, что колебания атомов, ионов и молекул в звуковой волне и колебания электрических и магнитных полей описываются одним и тем же волновым уравнением. Сохраняется он и в современной теоретической трактовке, предложенной создателями квантовой физики, согласно которой элементарные кванты света (фотоны) и звука (фононы) подчиняются единым правилам.

Одним из наиболее интересных проявлений этой специфической квантовой природы в случае со светом, безусловно, следует считать способность квантовой системы (атомов, молекул, ядер и так далее) при определенных условиях испускать когерентные фотоны, обладающие одинаковой частотой и постоянной разностью фаз колебаний, — явление вынужденного излучения, предсказанное еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном.

В середине прошлого века был наконец получен первый пучок когерентного излучения в микроволновом диапазоне. Новое устройство назвали мазером. Затем экспериментаторам удалось распространить опыты и на видимую часть спектра (оптический диапазон) — на свет появился классический лазер.

Как известно, основой любого светового лазера служит особая среда (газ, кристалл, полупроводниковые диоды), которая подвергается так называемой накачке внешним источником энергии — электрическим разрядом, световыми импульсами, химической реакцией. В результате этой накачки происходит быстрое возбуждение атомов среды — электроны поглощают энергию и перепрыгивают на более высокоэнергетичные внешние электронные оболочки.

В таком возбужденном, накачанном состоянии среда становится нестабильной, и проходящие сквозь нее световые лучи, сталкиваясь с атомами, вызывают массовый переход электронов на более низкие орбиты; этот процесс сопровождается возникновением дополнительных фотонов. Последние, в свою очередь, стимулируют еще большее число электронов испускать фотоны — начинается своеобразная цепная реакция «схлопывания» атомов до невозбужденного состояния с практически одновременным высвобождением громадного количества фотонов. Принципиальная особенность этого квантового процесса состоит в том, что в некоторых веществах все фотоны в рождающемся потоке становятся когерентными (вибрируют в унисон), генерируя усиленные узконаправленные световые лучи.

Заманчивая идея о том, что подобный процесс стимулированного излучения может эффективно развиваться и в случае с фононами, уже давно привлекала исследователей.

Важнейшее теоретическое достоинство подобных акустических аналогов лазеров заключается в том, что, поскольку звуковые волны распространяются со скоростью примерно на пять порядков меньшей, чем световые (330 м/с в воздушной среде по сравнению с 300 000 км/с), при одних и тех же частотах длина звуковой волны намного короче световой. Благодаря последнему обстоятельству устройства, генерирующие сфокусированные звуковые волны, представляются очень перспективными инструментами для высокоточного бесконтактного исследования и визуализации наноразмерных объектов. Если нынешние визуализационные технологии (прежде всего электронная микроскопия) достаточно жестко ограничены анализом поверхностей материалов, то терагерцевые сазеры с характерной длиной волны порядка 1 нм позволят ученым наконец-то проникнуть во внутреннюю структуру таких материалов.

Однако, несмотря на активные экспериментальные изыскания, до последнего времени появление сазеров виделось лишь красивой мечтой. Основным препятствием на пути создания фононных лазеров фактически было их же главное теоретическое достоинство — сравнительно короткие длины звуковых волн: преобладающей реакцией наноразмерных структур на внешнее воздействие (энергетическую накачку) становился не упорядоченный, а спонтанный (неконтролируемый) эмиссионный процесс. Иными словами, испускаемые фононы не удавалось преобразовать в когерентный поток.

Концерт для акустического ансамбля

[inc pk='1539' service='media']

Исследователи из Калифорнийского технологического института эту принципиальную проблему, похоже, наконец решили. Керри Вахала и его коллеги разработали новый эффективный механизм генерации когерентного фононного излучения при помощи внешней оптической накачки.

Один из ведущих мировых специалистов в области лазерных технологий, профессор Университета Джона Хопкинса Яков Хургин (выпускник Ленинградского института точной механики и оптики, ЛИТМО, с 1980-х работающий в США) опубликовал подробный комментарий к пионерским работам американских и британских исследователей в журнале Американского физического общества. Как отмечает в своей статье господин Хургин, в традиционных лазерах стимулированное излучение возникает при переходе ионов и атомов рабочей среды от верхнего к нижнему энергетическому состоянию, сопровождающемся массовым высвобождением дополнительных фотонов. В устройстве, сконструированном группой Вахалы, для создания аналогичного эффекта были использованы два связанных друг с другом кремниевых оптических резонатора тороидальной формы с диаметрами около 6 мкм, удаленных друг от друга на расстояние всего 1 микрометра. Столь небольшое расстояние в итоге и позволило создать при помощи индуцированных световых волн двухуровневую квантовую систему.

Благодаря тонкой настройке (постепенному изменению расстояния между резонаторами) ученые добились того, что разность частот верхнего и нижнего уровней точно соответствовала акустическому резонансу системы.

В условиях этого акустического резонанса после того, как в результате лазерной накачки системы через оптический кабель «верхние» уровни оказались заполненными достаточным количеством фотонов, последние стали активно разделяться на более низкоуровневые фотоны и когерентные фононы, испускавшиеся с частотой 21 МГц.

Это стимулированное фононное излучение было четко зафиксировано американскими экспериментаторами, которые затем добились схожего эффекта и при сужении спектра механических колебаний.

Специалисты из Ноттингемского университета использовали в своих экспериментах принципиально иную стратегию генерирования когерентного фононного излучения. Их установка представляла многослойный «бутерброд», состоящий из чередующихся друг с другом 50 тончайших пластин, причем одни из них были изготовлены из игравшего роль изолятора арсенида алюминия, а другие — из полупроводящего арсенида галлия.

Изюминкой британского устройства были слои арсенида галлия, которые выполняли роль квантовых ям — наноловушек для электронов.

Для стимулирования необходимого эффекта на верхний слой этой конструкции также направлялся пучок «внешних» фотонов.

Необходимо уточнить, что созданное учеными из Ноттингемского университета устройство, в отличие от американского прототипа, пока еще нельзя считать полнофункциональным сазером: по словам разработчиков, на данном этапе экспериментов им еще не удалось достичь необходимой «чистоты» сазерных лучей, так что установку предстоит несколько модифицировать.

По мнению экспертов, предложенные британцами и американцами подходы к созданию фононных лазеров можно считать вполне взаимодополняемыми.

Более того, в будущем и тот и другой варианты, по всей видимости, найдут достаточно широкое применение, что в числе прочего объясняется значительным разбросом генерируемых этими устройствами частотных диапазонов. О самом перспективном направлении дальнейшего практического использования сазеров (и прежде всего их терагерцевых разновидностей) — высокоточном бесконтактном исследовании и измерении различных наноразмерных объектов — уже упоминалось.

Одними из главных потенциальных заказчиков сазеров, безусловно, являются медицинские центры и лаборатории, которые при помощи этих устройств смогут получать детальные трехмерные изображения внутренних органов.

С большой долей уверенности можно предположить, что сазеры будут востребованы и в компьютерной индустрии, и в различных системах контроля качества промышленных изделий (в частности, они окажутся очень полезны для обнаружения различных дефектов на наноуровне).

Статьи по теме:
Казахстан

От практики к теории

Состоялась презентация книги «Общая теория управления», первого отечественного опыта построения теории менеджмента

Тема недели

Из огня да в колею

Итоги и ключевые тренды 1991–2016‑го, которые будут влиять на Казахстан в 2017–2041‑м

Казахстан

Не победить, а минимизировать

В Казахстане бизнес-сообщество призывают активнее включиться в борьбу с коррупцией, но начать эту борьбу предлагают с самих себя

Международный бизнес

Интернет больших вещей

Освоение IoT в промышленности позволит компаниям совершить рывок в производительности