Прежде, чем на свете появились первые лазеры, учеными были разработаны другие подобные устройства — мазеры. Мазеры, как и лазеры, также являются источниками когерентного монохромного излучения, правда работают они в более длинноволновом диапазоне, в микроволновом диапазоне от 0.3 до 300 ГГц. Несмотря на то, что они появились раньше лазеров, мазеры так и не нашли широкого применения. Они применяются лишь в узком кругу областей из-за ряда технических трудностей, с которыми связана их эксплуатация. Газовые мазеры требуют установок, создающих вакуум очень большой глубины, а твердотельные мазеры могут работать только при температурах, которые может обеспечить охлаждение при помощи жидкого гелия, порядка 4 градусов Кельвина.
Но, международная группа, в состав которой вошли ученые из Китайского университета в Гонконге и университета Штутгарта, Германия, разработали структуру нового алмазного мазера, который, согласно проведенным расчетам, будет способен работать и при комнатной температуре. Прогнозируемое время непрерывной работы алмазного мазера будет исчисляться несколькими минутами, что обеспечит возможность его применения в очень большом круге самых различных областей.
Основным преимуществом использования алмаза является то, что в нем достаточно легко создать так называемые азотные вакансии, места в кристаллической решетке, в которой атомы углерода искусственно замещены атомами азота. Проведенные другими учеными исследования показали, что спин оставшимся свободным электрона является самой стабильной квантовой величиной в настоящее время, способной сохранять свое значение в течение достаточно длительного промежутка времени. Время сохранения стабильности спина других частиц в других материалах несоизмеримо короче и оно, в большинстве случаев исчисляется несколькими наносекундами.
Электрон азотной вакансии сохраняет стабильность своего спина в течение приблизительно 5 миллисекунд без дополнительного охлаждения кристалла. И такое время сохранения стабильности может использоваться для создания квантового генератора, мазера, который сможет работать в непрерывном режиме при комнатной температуре. Кроме того, для помещения спина свободного электрона в максимальное энергетическое состояние не требуется любого источника внешнего излучения, спины электронов могут быть выровнены при помощи воздействия достаточно сильного магнитного поля, которое можно получить при помощи обычного электромагнита.
Напомним нашим читателям, что это уже не первая попытка создания твердотельного мазера. Первое такое устройство было разработано учеными из Великобритании в 2012 году. Правда материалом для него служило сложное органическое химическое соединение (p-terphenyl pentacene), электроны в котором могут сохранять свой спин в течении 0.1 микросекунды, в 50 раз короче, чем электроны в алмазе. И в результате этого первый мазер имел весьма низкую эффективность и мог работать только в импульсном режиме, превращая в микроволновое излучение всего несколько процентов от энергии накачки.
«Алмазный мазер, в отличие от мазера на основе органического материала, сможет работать при комнатной температуре и практически в режиме непрерывного излучения» — рассказывает Ренбэо Луи (Renbao Liu), профессор физики из Китайского университета, — «Кроме этого, алмаз является прочным материалом и мазер сможет выдержать более высокую энергию накачки, нежели органический мазер».
В скором будущем исследователи попытаются воплотить их идею в виде реального опытного алмазного мазера, правда перед этим им придется провести еще целый ряд уточняющих математических расчетов и изучение некоторых квантовых явлений, которые будут происходить при взаимодействии спинов электронов и фотонов микроволнового излучения. Но если такой мазер все же будет создан, то он может быть использован в массе различных областей, включая высокоточные часы, радарные системы, системы сверхвысокочувствительной магнитно-резонансной спектроскопии и системы дальней космической связи.
