Невидимый убийца уже создан. Что принесут человечеству новые мазерные технологии
Наверное, почти любая технология может иметь как гражданское, так и военное применение. Одним из редких исключений до сих пор были мазеры. Это старшие братья всем известных лазеров. Первый мазер был создан в 1954 г., а первый лазер - в 1960-м. Но хотя лазерное оружие уже почти реальность, над созданием мазерного оружия раньше никто серьезно не работал. Сейчас благодаря новому открытию все может измениться.
Различие между мазерами и лазерами в одной букве. Maser расшифровывается как microwave amplification by stimulated emission of radiation - усиление микроволн с помощью вынужденного излучения. Если заменить microwave (микроволны) на light (свет), получится laser. У современного потребителя слово "микроволны" ассоциируется исключительно с микроволновкой, в которой удобно разогревать еду. Что ж, любой пользователь этого устройства легко представит себе и мазерное оружие: оно выпускает микроволновой луч, способный прожарить того, кто окажется у него на пути.
Конечно, поскольку микроволны невидимы, мазерное оружие не сможет составить конкуренцию лазерному в фантастических боевиках. Но на реальном поле боя мазеры могут оказаться гораздо опаснее лазеров при одинаковых энергетических характеристиках. Да и невидимость мазерного луча будет скорее преимуществом, чем недостатком.
До сих пор военные не разрабатывали подобных технологий по одной простой причине: мазеры крайне неудобны в эксплуатации. Вообще-то есть разные виды мазеров, но все они применяются лишь в узком кругу областей из-за ряда технических трудностей. Например, газовые мазеры требуют установок, создающих очень глубокий вакуум, а твердотельные мазеры могут работать только при сверхнизких температурах, для достижения которых необходимо охлаждение при помощи жидкого гелия.
Однако в нынешнем десятилетии развернулась настоящая технологическая гонка между командами, пытающимися создать мазер, способный работать в обычных условиях. Первыми - еще в августе 2012 г. - похвастались успехом лондонские ученые из Национальной физической лаборатории (NPL). Они сообщили, что нашли способ изготовления малогабаритного твердотельного мазера, который может работать при комнатной температуре.
Для создания нового типа мазера ученые использовали кристаллы некоего химического соединения. Сначала эти кристаллы были подвергнуты химической обработке, а затем на них был сконцентрирован поток микроволнового излучения от внешнего источника. Под его воздействием химически измененные кристаллы стали возвращаться к своему исходному состоянию, излучая при этом собственный поток когерентного микроволнового излучения. Это как раз и означает, что получился мазер.
Правда, для практического применения это изобретение оказалось все же малопригодным. Материалом для него служило сложное органическое химическое соединение, электроны в котором могут сохранять свое состояние лишь очень короткое время - около 0,1 микросекунды. В результате этот мазер имел весьма низкую эффективность и мог работать только в импульсном режиме, превращая в микроволновое излучение всего несколько процентов от энергии накачки.
О более удобном материале рассказала в октябре 2015 г. международная группа, объединившая ученых из Китайского университета Гонконга и Штутгартского университета (Германия). По расчетам этой группы, если создать мазер на основе алмаза, то он будет способен работать при комнатной температуре, а прогнозируемое время его непрерывной работы будет исчисляться несколькими минутами, что обеспечит ему очень широкую область применения. Основным преимуществом использования алмаза является то, что в нем достаточно легко создать искусственные дефекты, в которых атомы углерода замещены атомами азота. При этом в кристаллической решетке появляются свободные электроны, сохраняющие свое состояние в 50 раз дольше, чем электроны в органическом материале, созданном учеными NPL. Дополнительный бонус заключается в том, что алмаз является сверхпрочным материалом, благодаря этому алмазный мазер может выдержать гораздо более высокую энергию накачки, нежели органический мазер.
Но, подчеркнем, то была только идея. Исследователи заявили, что в скором будущем попытаются воплотить ее в виде реального опытного алмазного мазера. Правда, сказали ученые, перед этим им придется провести еще целый ряд уточняющих математических расчетов и изучить некоторые квантовые явления, которые будут происходить при взаимодействии электронов и микроволнового излучения.
Пока что о новых успехах эта группа еще не сообщала. Между тем на днях о своем прорыве в том же направлении сообщили лондонские физики, только на этот раз не из NPL, а из Имперского колледжа Лондона. Они смогли создать твердотельный мазер, работающий при комнатных температурах, используя в качестве рабочего тела именно алмаз с искусственными азотными дефектами. Камень поместили в резонатор из сапфира и меди, после чего подсветили зеленым лазером - луч был преобразован в микроволновое излучение. При этом само рабочее тело не разрушалось при нагреве, а значит, могло излучать неограниченное количество времени.
Статья с описанием изобретения вышла в Nature - самом престижном научном журнале мира. "Это прорыв, который откроет дорогу для широкого использования мазеров в целом ряде областей. Мы надеемся, что вскоре мазер станет таким же популярным, как лазер", - заявил один из авторов исследования.
Эту надежду можно измерить в долларах. По данным исследовательской компании Strategies Unlimited, глобальный рынок лазеров вырос с $9,36 млрд в 2014 г. до $12,43 млрд в 2017-м, а в 2018-м должен достичь как минимум $13,06 млрд. А объем рынка техники, в которой используются лазеры, еще на порядок больше. И все же мазеры имеют неплохой шанс догнать своих младших братьев, войдя наряду с ними в число ключевых компонент технологий нового поколения. При этом мазеры и лазеры не будут конкурентами друг другу - скорее они будут друг друга дополнять.
Сейчас мазеры применяются в радиосвязи (в частности, в дальней космической связи), радиоастрономии и радиолокации для усиления передаваемых и принимаемых радиосигналов, а также используются как генераторы стабильных частот. Появление мазеров нового типа, более мощных, дешевых и удобных, приведет к ускорению развития всех этих областей, а кроме того, позволит создавать сверхчувствительные научные и медицинские инструменты, да и технические средства безопасности, такие как сканеры в аэропортах или удаленные детекторы взрывчатки. Новые мазеры могут успешно использоваться также в промышленности и даже в потребительской электронике.
Еще одна волнующая перспектива - квантовые компьютеры. Там мазеры пригодятся для считывания квантовой информации. Не исключено, что появятся и такие области применения мазеров, о которых мы сейчас даже не подозреваем. И, конечно, военные о своем интересе к новому изобретению не будут говорить, пока не проверят его в своих лабораториях.
Микроволны вокруг нас
Микроволновка - отнюдь не единственное бытовое устройство, где используются микроволны. Эти же волны, только более высокой частоты и гораздо меньшей интенсивности, используются для связи - когда вы говорите по мобильному телефону, выходите с ноутбука в интернет. Они же позволяют установить беспроводное соединение с помощью Bluetooth, Wi-Fi или WiMAX, делают возможной GPS-навигацию, благодаря которой вы выбираетесь из тупика, в который заехали, а еще соединяют вас с абонентом в другой стране, передавая сигнал через спутник.
Микроволновое излучение большой интенсивности используется в промышленности для термообработки металлов. А в сосудистой хирургии оно применяется для лечения варикозного расширения вен.
Из космоса на Землю непрерывно поступает реликтовое микроволновое излучение - то самое, открытие которого стало важнейшим доказательством Большого взрыва, породившего нашу Вселенную. Также есть космические мазеры - огромные газовые облака размером в миллиарды километров, где возникают условия для генерации микроволн, а источником накачки служит космическое излучение. Ученые, получается, всего лишь скопировали то, что создала природа.
