Это открытие фактически привело к революции в физике лазеров
», - говорит Клер Гмахл, лидер исследовательского коллектива. Гмахл, специалист по электронике, раскрывает детали революционного устройства: оно называется квантовым каскадным лазером и порождает лазерный луч при пропускании электрического тока сквозь особый материал со сложной структурой. При испытаниях устройства случайно обнаружили, что помимо основного луча оно порождает и сопутствующий, вторичный луч, наделенный весьма необычными свойствами и требующий меньших затрат электроэнергии. «
Если нам удастся избавиться от основного луча, то получится лазер совершенно нового типа, гораздо более экономичный в плане энергозатрат
», - говорит Гмахл.
Необычное устройство, в ходе испытаний которого обнаружился этот эффект, было сконструировано Кейлом Францем, бывшим студентом, преподавателем у которого долгое время была г-жа Гмахл. В создании каскадного лазера ему помогал Стефан Менцель, выпускник Шеффилдского университета. Он же и обнаружил загадочный второй луч в ходе студенческих соревнований на ниве науки в Принстонском университете прошлым летом.
Луч света, испускаемый лазером, своей природой в корне отличается от света солнца, спички или электролампы. Если поставить на пути солнечного света призму, и луч распадется на семь цветов радуги - каждый из которых образован волнами длины, отличной от всех остальных цветов. Достаточно лишь «смешать» заново волны разной длины вместе, и вновь получится обычный «белый» свет. У лазера же луч состоит из волн одинаковой длины. Это означает не только то, что на цвета радуги такой луч разложить уже не получится, - ведь он по природе своей однороден, - но и то, что он обладает совершенно уникальными свойствами.
Один из способов получить лазерный луч - пропустить электроток через специфический вид полупроводника. В результате электроны внутри полупроводника «перескакивают» на более высокий уровень энергии, а потом, при определенных условиях, «спрыгивают» обратно. «Излишек» энергии «убегает» в окружающее пространство в виде когерентного потока фотонов, то есть световых волн одинаковой длины. По такому принципу работают все виды устройств для чтения лазерных дисков, лазерные указки и еще масса видов бытовой техники.
Каскадный же лазер, изобретенный в Принстоне, совсем крошечный. Он был сконструирован при помощи нанотехнологий и вдесятеро тоньше человеческого волоса. Длина устройства - три миллиметра. При этом материал, из которого выполнено устройство, состоит из десятков слоев различных полупроводящих материалов. Каждый слой - толщиной всего в несколько атомов. По мере того, как «раскрученные» электроны теряют энергию, они «прыгают» с одной ступеньки-слоя на другую, при каждом сдвиге порождая световые волны единой длины.
Еще в 2007 году Гмахл, Франц и их коллеги опубликовали в одном из научных журналов первое сообщение об обнаружении загадочного сопутствующего луча с волнами несколько более короткой длины по сравнению с основным лучом. Спустя почти год ученые признаются, что им не удалось найти удовлетворительное объяснение этому явлению в рамках существующих теорий функционирования каскадно-лазерных устройств. По мере увеличения температуры полупроводника, сопутствующий луч становился все сильнее и сильнее, правда, до определенного предела. Обычные лазеры так себя не ведут. «
Открыт совершенно новый механизм излучения световых волн полупроводником
», - говорит Франц.
В отличие от обычных лазеров, излучение квантово-каскадных аналогов находится в рамках инфракрасного спектра, что позволяет использовать изобретение в медицине. Такой луч легко «нащупывает» в среде, через которую пропускается, даже микроскопические количества паров, взвесей и газов любых веществ, которые способны поглощать инфракрасное излучение.
