Микроволновый лазер выполняет 60 лет обещаний

  1. Розовая сила
  2. Подкаст природы
  3. Возбужденное состояние

Используя запасные химикаты, лазер, купленный на eBay, и беспокойство по поводу ночных споров, физики получили первый в мире микроволновый лазер с комнатной температурой.

Достижение произошло спустя почти 60 лет после того, как были созданы первые неуклюжие версии таких устройств, которые могли бы произвести революцию в области связи и освоения космоса. Работа опубликована на этой неделе в Nature 1 ,

Работа опубликована на этой неделе в Nature   1   ,

NPL

Мазер при комнатной температуре основан на кристалле органических молекул, возбуждаемых оптическим лазером.

До того, как появились лазеры, были микроволновые лазеры или мазеры. Впервые задуманные в Советском Союзе и Соединенных Штатах в 1950-х годах, ранние мазерные машины были размером с комод. Они производили только несколько нановатт мощности, что серьезно ограничивало их полезность.

Из-за этого препятствия большинство в этой области отказались от мазеров и перешли к лазерам, которые используют те же принципы физики, но работают с оптическим светом, а не с микроволнами. Лазеры в настоящее время используются в различных областях, от хирургии глаза до проигрывателей компакт-дисков.

Бедный мазер жил в безвестности. Он нашел лишь несколько нишевых применений, таких как усиление радиосигналов от дальних космических кораблей - включая марсоход НАСА Curiosity Mars. Эти мазеры работают только при охлаждении до уровня менее десяти градусов выше абсолютного нуля, и даже в этом случае они не так мощны, как лазеры.

Розовая сила

Но Марк Оксборроу, физик из Национальной физической лаборатории Великобритании в Теддингтоне, интересовался, может ли кристалл, содержащий органическую молекулу пентацена, стать прорывом. Он наткнулся на десятилетнюю публикацию японских исследователей 2 предполагая, что когда электроны в пентацене возбуждаются лазером, они конфигурируются так, чтобы молекула могла работать как мазер, возможно даже при комнатной температуре.

Подкаст природы

Джефф Брумфил объясняет мазеры при комнатной температуре.

Вам может потребоваться более свежий браузер или установить последнюю версию плагина Adobe Flash.

Оксборроу нанял двух коллег - материаловедов Джонатана Бриза и Нила Алфорда из лондонского Имперского колледжа - и принялся за проверку этого предложения. Он позаимствовал запасной пентацен в лаборатории в Империале и приготовил его с другой органической молекулой, известной как п- терфенил. Результатом стал розовый кристалл длиной в несколько сантиметров.

Далее команде понадобился мощный лазер. Оксборроу нашел на eBay старый медицинский лазер и поехал на склад в северном Лондоне, чтобы забрать его. Но исследователи были полны сомнений - все это казалось слишком легким. Оксборроу признает, что был неуверен в эксперименте. «Примерно три дня я мог бы это сделать, но у меня не хватило смелости включить эту кнопку», - говорит он.

Последний импульс пришел от спора с его женой. Принимая во внимание, что в пабе люди с меньшим поведением могли погрязнуть в пабе: «Я пошел в лабораторию как немного терапии», - говорит Оксборроу. «Я сказал:« Ну что, черт возьми, давай просто попробуем ».

И это сработало с первого раза.

Предоставлено NPL

Марк Оксборроу демонстрирует самодельный набор для очистки п- терфенила на пути к выращиванию розового мазерного кристалла.

Возбужденное состояние

Лазерный свет возбуждал молекулы пентацена до энергетического уровня, известного как метастабильное состояние. Затем микроволновая печь, проходящая через кристалл, заставила молекулы расслабиться, выпустив каскад микроволн той же длины волны.

Это был тот же принцип, что и оптический лазер. «Сигнал, исходящий от него, был огромным, - говорит Оксборроу, примерно в сто миллионов раз мощнее существующего мазера. Один в своей лаборатории: «Я много ругался и пять раз ходил по коридору, разговаривая сам с собой».

«Это значительное достижение», - говорит Кирилл Хилсум, физик в отставке, который помог разработать некоторые из самых ранних твердотельных лазеров. «Это показывает большую оригинальность и отличные способности».

Устройство Oxborrow может упростить и улучшить мазеры, говорит Хилсум. В долгосрочной перспективе он может найти применение в коммуникациях, но сначала его нужно усовершенствовать.

Есть много возможностей для улучшения, соглашается Оксборроу. Не будучи большим химиком, он сумел сжечь демонстрационный кристалл, пытаясь сделать это. «Я сделал немного крем-брюле», - говорит он смущенно.

Учитывая, что закаленный кристалл работал, он говорит, что более аккуратно сделанный может повысить эффективность как минимум в три раза. Хилсум добавляет, что будут найдены другие приемы, которые сделают мазер лучше. «Вы можете быть уверены, что это не конец истории», - говорит он.