Для тех,
кто не делает
поспешных выводов

Невидимый убийца уже создан. Что принесут человечеству новые мазерные технологии

Понедельник, 9 Апреля 2018, 12:00
В последнее время много говорят о лазерном оружии. Однако более опасными на поле боя могут оказаться мазеры. Лазеры ослепляют, а мазеры – прожаривают

Первый в мире непрерывный твердотельный мазер с комнатной температурой. Фото: imperial.ac.uk

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.

Мазер, содержащий розовый кристалл. Фото: NPL UK

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.

Синтетический алмаз (Имперский колледж, Лондон). Фото: imperial.ac.uk

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.

Больше новостей о технологиях и научных разработках читайте в рубрике Техно