Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

привели к революционному развитию физики, подобно тому, как когда Уиллис Лэмб[110] и Роберт Ризерфорд[111] открыли небольшое различие в энергиях между двумя состояниями у водорода, которые при этом должны были быть идентичны. Попытки объяснить этот «Лэмбовский сдвиг» привели к разработке квантовой электродинамики (QED[112]), одной из самых странных теорий в науке за всю историю, но при этом бесспорно точно подтвержденной экспериментами[113].

Эксперименты с микроволновой спектроскопией были также первым шагом к разработке лазера, по мере того как Таунс и другие искали способы расширить диапазоны длин волн, которые они могли изучать, до низких частот (более длинных волн), чем те, что использовались в военное время для развития радаров. Низкие частоты представляли интерес, поскольку многие молекулы поглощали и излучали свет в этой части спектра, и Таунсу пришла мысль использовать сами молекулы для генерирования микроволн.

Таунс создал пучок молекул аммиака в возбужденном энергетическом состоянии и послал их через микроволновую камеру – металлическую камеру с маленькой дырочкой, как та воображаемая коробка, которую мы использовали в главе 2 для представления модели черного тела, созданной Планком. Размер камеры был выбран таким образом, чтобы соответствовать длине волны микроволн, излучаемых молекулами аммиака. Любые фотоны, которые излучались молекулами аммиака, проходя через него, бодро отскакивали туда-сюда внутри углубления, оставаясь там на долгое время до того, как могли выскочить обратно через дырочку.

Само по себе это не было бы так интересно, поскольку уровень спонтанного излучения фотонов молекулами на этих длинах волн весьма невысок, но благодаря процессу индуцированной эмиссии, этот прибор работал как усилитель. Возбужденная молекула аммиака, входя в камеру, могла встретить фотон уже внутри точно на нужной частоте, чтобы (потенциально) индуцировать излучение второго фотона, идентичного первому. Следующие молекулы уже обнаруживали двух фотонов внутри, и вероятность индуцированного излучения увеличивалась, и поскольку процесс повторялся снова и снова, количество фотонов возрастало. Таунс описал это с помощью аббревиатуры MASER – Microwave Amplification by Simulated Emission of Radiation – микроволновый усилитель с индуцированным излучением радиации).

Мазер Таунса был достаточно интенсивным источником микроволн в крайне узком диапазоне частот, что логично вытекало из модели фотона, разработанной Эйнштейном в 1917 году, хотя Эйнштейн и не рассматривал такой вариант в своей статье. В обычном газе большая часть атомов находится в низкоэнергетическом состоянии, поэтому фотон крайне редко встречается с возбужденным атомом, когда он вызывает индуцированное излучение. В своем мазере Таунс использовал поток молекул, которые он уже возбудил электрическим током, то есть они в большинстве своем уже были в высокоэнергетическом состоянии, что и было необычным и получило название «инверсия популяционных населенностей». Эта инверсия создает ситуацию, когда вероятность встречи фотона и молекулы в высокоэнергетическом состоянии гораздо более вероятна для индуцирования излучения.

Каждый новый фотон имеет идентичную частоту (и направление движения, поляризацию и другие оптические свойства) с тем, который его индуцировал. Так как каждый из этих фотонов может, в свою очередь, индуцировать излучение другого идентичного фотона, этот процесс ведет к экспоненциальному росту фотонов (один выбивает два, дальше четыре, дальше восемь и так далее) в очень узком диапазоне длин волн[114].

Малая часть света может быть выпущена через маленькие дырочки в камер, и его частота измеряется с высокой точностью. Мазеры, использующие атомы водорода, – критически важный элемент системы, используемой для определения и распределения времени от атомных часов, помогающая поддерживать точный период времени между циклами колебаний в цезиевых часах.

Вслед за разработкой мазера Таунс начал обсуждение, как расширить эту базовую идею на области видимого спектра, со своим коллегой (и кузеном) Артуром Шавловым[115]. Таунс и Шавлов сумели исхитриться и создать «оптический мазер», хотя на саму мысль их навел студент Гордон Гулд, который дал прибору его современное название. После разговора с Таунсом Гулд записал несколько мыслей в записной книжке[116] под заголовком LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – световой усилитель с помощью индуцированного излучения радиации. Название закрепилось, хотя лишь немногие помнят его происхождение как аббревиатуры, и стало отдельным от первоначального «мазера».

Ключевые компоненты лазера такие же, как и у мазера: «инверсия популяционных населенностей[117]» со множеством электронов в высокоэнергетических состояниях внутри атомов или молекул, на нужной частоте и камера для того, чтобы держать там излученные фотоны, отскакивающие от стенок и взаимодействующие с атомами. Как мы увидим, получение этих компонентов считается более трудной задачей для видимого света, чем для микроволн, но если их сделать, механизм работает так же: фотоны, какие уже находятся в камере, индуцируют излучение из возбужденных атомов, и число фотонов растет экспоненциально.

Первой технической трудностью для перехода от мазера к лазеру было создание инверсии популяционных населенностей. Большинство атомов в возбужденном состоянии с энергиями, соответствующими частотам в видимом диапазоне света, имеют крайне короткие периоды существования (сроки жизни) перед тем, как они спонтанно излучат фотон (как это и было предсказано моделью Эйнштейна) и перейдут в низкоэнергетическое состояния, что делает трудным поддерживать нужное количество возбужденных атомов для индуцирования. Атомы, у которых длинные сроки жизни, чтобы их было легче инвертировать, сложно возбуждать напрямую (опять-таки, как предсказывала теория Эйнштейна). Эта проблема в общем виде была решена с использованием многоуровневой схемы, где электроны возбуждаются косвенными способами. Например, гелий-неоновый лазер использует возбужденные атомы гелия для передачи энергии атомам неона по мере их столкновений в плазме. Косвенный процесс производит обращение большого числа атомов неона с относительно длинными сроками жизни в конкретном высокоэнергетическом состоянии, чем плазма только из неоновых атомов могла бы генерировать напрямую. Смесь гелия и неона вместе в плазме обеспечивает отличное средство для работы лазера на красных длинах волн, с которыми мы знакомы в ранних сканерах в супермаркетах[118]. По мере того как электрический ток, создающий плазму, продолжает работу, атомы гелия будут продолжать возбуждаться и возбуждать атомы неона в свою очередь, обеспечивая длительную работу лазера.

Другой серьезной технической проблемой при переходе от мазера к лазеру и основным препятствием для Таунса было, как сконструировать камеру, чтобы улавливать фотоны. Микроволновая камера состояла из почти полностью закрытого пространства, окруженного металлическими стенками с размерами, сравнимыми с длиной волны самих микроволн. Для работы с мазерами Таунса это было несколько сантиметров, и только маленькими дырочками, они позволяли запускать внутрь возбужденные молекулы и извлекать свет. Эта концепция не слишком хорошо работает для оптических длин волн даже сегодня, потому что сделать полностью закрытую камеру с габаритами лишь в несколько сотен нанометров будет весьма непростой задачей, а в 1957 году