Учёные создали первый твердотельный микроволновый квантовый генератор, который имеет компактные размеры и работает при комнатной температуре. По мнению разработчиков, устройство может получить широкое применение в космической связи и радиолокации.



Впервые "мазер", названный так от английского "microwave amplification by stimulated emission of radiation" (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения), был разработан физиками из СССР и США в 1954 году. Александр Прохоров, Николай Басов и Чарльз Таунс (Charles Townes) получили за это изобретение Нобелевскую премию.



Мазер отличается от лазера тем, что испускает не свет, а концентрированные микроволновые пучки. У мазера меньше отношение сигнал/шум.



Но по ряду причин технология до сих пор оставалась мало востребованной. Громоздкий прибор стоимостью несколько сотен тысяч долларов США представлял собой квантовый генератор, излучающий когерентные микроволны сантиметрового диапазона. В качестве рабочего тела в нём выступали атомы водорода.



Для работы устройства требовался вакуум и температуры близкие к абсолютному нулю (-273,15 °C), при этом мощность мазера сильно уступала лазеру.



И вот британский физик Марк Оксборроу (Mark Oxborrow) и его коллеги из Британской национальной физической лаборатории в Тэддингтоне (National Physical Laboratory) нашли способ собрать мазерный излучатель, который имеет компактные размеры и работает при комнатной температуре.



Принципиально новая методика описана учёными в журнале Nature.



В основе работы нового мазера лежит исследование японских учёных, проведённое 20 лет назад. Они установили, что при воздействии лазера на органическое вещество пентацен электроны возбуждаются таким образом, что молекулы могут работать как мазер. Японцев интересовало рассеяние нейтронов, а не усиление микроволн, поэтому они продолжили работу в другом направлении.



А команда Оксборроу решила выяснить, насколько пентацен эффективен в качестве основы мазера. Марк добавил пентацен к другому органическому соединению p-терфенилу, получив кристаллы розового цвета (очень похожие на рубины, используемые в лазерах). Для этого, по его собственному признанию, ему пришлось на некоторое время перевоплотиться в химика. Так как профессия у него всё-таки другая, учёному пришлось повозиться — поначалу кристаллы выходили коричневого цвета.



Наконец, получив розовые кристаллы, физики заключили их в прозрачные сапфировые кольца, поместили в резонатор и направили на них излучение обычного медицинского лазера, купленного на интернет-аукционе eBay.



Излучение возбудило молекулы пентацена и привело к переходу их в метастабильное состояние. Обратный переход в основное состояние сопровождался выбросом потока фотонов микроволнового диапазона, сформировавшим луч мазера.



"Эксперимент чем-то напомнил мне первое свидание. Никто из нас не знал, чем всё закончится, получится или нет, — делится впечатлениями Марк. – Но результат превзошёл все наши ожидания. Полученный сигнал был в сто миллионов раз мощнее, чем у существующих мазеров. При этом технология оказалась такой простой, что я долго не мог в это поверить".



Специалисты считают, что излучатель, разработанный британскими исследователями, имеет огромные перспективы, хотя и требует многих доработок. Сейчас устройство вырабатывает отдельные импульсы продолжительностью в доли миллисекунды, но учёные ищут способы заставить его работать постоянно.



Кроме того, диапазон длин волн, который охватывает новый мазер, пока слишком широк, его необходимо сужать, что может привести к дополнительному усилению в 5-10 раз. Британцы планируют добиться этого, заменив кристалл на более чистый, подобрав лучшие сапфировые кольца, а также подобрав другой лазер.



В любом случае Оксборроу и его коллеги дали мазерам новую жизнь. Возможно, в скором времени такие приборы будут широко применяться в космической связи. Существует мнение, что в будущем с помощью мазера можно будет даже связываться с инопланетными цивилизациями. Что касается более близкого (и реального) применения, то, скорее всего, мазеры помогут создать квантовые компьютеры и радиотелескопы нового поколения.