Лазер на атомном ядре может быть не только математической абстракцией
Многие годы физики стремились к созданию лазера, принцип действия которого основан на возбуждениях атомного ядра, а не электронов. Работа, опубликованная недавно в журнале Physical Review Letters, предлагает путь создания такого устройства, опираясь на некоторые особенности строения атома тория. Созданный российским ученым лазер излучает свет видимого диапазона, а не гамма-лучи, которые обычно ассоциируются с излучением ядра. Подобный лазер может обеспечить базис для более точного измерения времени (ядерные часы вместо атомных), а также экспериментов по изучению множества фундаментальных свойств природы, к примеру, возможных колебаний значений мировых констант во времени.
Когда-то гамма лазер был настоящей мечтой для военной науки в Советском союзе, в то время как остальной научный мир мечтал о том же с целью дальнейшего изучения фундаментальных областей науки. Но не так много электронных переходов в атомах эмитируют гамма-кванты. Таким образом, ученые впервые обратили внимание на возможность использования возбуждений внутри самих атомарных ядер. Однако создание подобного устройства до сих пор вызывало весьма ощутимый скепсис со стороны многих ученых.
Две основные проблемы, с которыми предстояло столкнуться инженерам при реализации лазера на базе ядерных возбуждений – это поиск подходящих переходов в ядрах, которые могут быть эффективно задействованы в лаборатории, а также способ создания так называемой инверсии населенностей, когда в веществе большая часть ядер возбуждена (это состояние требуется для формирования лазерного луча). При решении этих проблем Евгений Ткаля из Московского Государственного Университета предложил способ создания ядерного лазера, излучающего в видимом, а не гамма-диапазоне. Этот промежуточный шаг может стать хорошей базой для реализации в будущем настоящего гамма-лазера на основе ядерных возбуждений.
Предложенная ученым схема предполагает частичную замену кальция торием в соединении LiCaAlF6. По «счастливой случайности» разница энергий «обычного» и возбужденного состояний ядра тория составляет 10 эВ, при этом данный переход по энергии отделен от доступных переходов между электронными состояниями. Согласно вычислениям ученого, это значит, что фотоны с энергией из видимого диапазона могут «игнорировать» электроны, взаимодействуя напрямую с ядром.
Для создания инверсии населенностей российский ученый воспользовался «фокусом», использующимся в обычной лазерной технике: он применил третий энергетический уровень (в дополнение к «нулевому» и возбужденному состояниям). При помощи внешнего магнитного поля напряженностью 100 Тесла (или сильного электрического поля с напряженностью порядка 10-18 вольта на квадратный сантиметр) можно разделить нижний (нулевой) энергетический уровень на несколько близко расположенных подуровней. Подуровни с более высокой энергией при этом оказываются свободными (ядра быстро переходят в «истинно» нулевое состояние), таким образом, один из них может служить промежуточным уровнем для процесса генерации луча света. В схеме, предложенной ученым, ядра тория переводятся в специфичное метастабильное состояние при помощи ультрафиолетового лазера.
Одна из особенностей ядерного лазера заключается в том, что излучение должно происходить без так называемой отдачи, ведь значительная отдача означала бы, что испускаемый фотон имеет небольшой частотный сдвиг, что, в свою очередь, не дает ему возможности стимулировать эмиссию другого ядра. Ученый показал, что эта проблема решается при помощи так называемого эффекта Мессбауэра, благодаря которому ядра в твердом теле не имеют индивидуальной отдачи, однако вызывают суммарную небольшую отдачу всей решетки. Это «участие» решетки позволяет фотону сохранять «правильную» частоту для стимуляции других ядер.
По мнению зарубежных коллег ученого, его успех в реализации ядерного лазера можно объяснить грамотным выбором энергетических уровней, а дальнейшее развитие предложенной схемы обещает огромные перспективы для самых разных областей науки.
