100 великих научных достижений России - Виорель Ломов

Н.Г. Басов, Ч. Таунс и А.М. Прохоров

Между тремя шедеврами русской культуры: Шуховской башней, романом «Гиперболоид инженера Гарина» и «мазером – лазером» прослеживается прямая связь. Гиперболоид В.Г. Шухова (башня на Шаболовке) настолько потряс воображение А.Н. Толстого, что герой его романа назвал свое изобретение также «гиперболоидом». А за ним и весь читающий народ дал квантовому генератору такое же имя – «гиперболоид Гарина». Да и научное сообщество было с ним солидарно: «Игольчатые пучки атомных радиостанций представляют собой своеобразную реализацию идей “гиперболоида инженера Гарина”» (академик Л.А. Арцимович).

Мазер – это квантовый генератор, излучающий когерентные (согласованные) радиоволны, аббревиатура фразы «microwave amplification by stimulated emission of radiation» («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»), предложенной в 1954 г. американцем Ч. Таунсом. Лазер соответственно – «light amplification by stimulated emission of radiation», означающей «усиление света в результате вынужденного излучения».

В основе работы лазера лежит принцип индуцированного излучения, изучением которого в начале XX в. занимался А. Эйнштейн. Высказав гипотезу о том, что энергия света состоит из квантов, которые испускаются атомами и атомными системами при их переходах из одного энергетического состояния в другое, ученый показал, что можно согласовать вспышки излучения отдельных атомов, воздействуя на них внешним электромагнитным излучением, которое может сопровождаться при этом ослепительно яркой вспышкой монохроматического (то есть одной длины волны) света.

В 1920 г. немецкий физик О. Штерн ввел в экспериментальную физику метод молекулярных пучков. Тогда же были разработаны теоретические представления о процессах излучения и поглощения света.

В 1939 г. советский ученый В.А. Фабрикант развил понятие вынужденного излучения, чем заложил фундамент для создания лазера. Во время Второй мировой войны в связи с проблемами радиолокации развилась техника сверхвысоких радиочастот. Объединение научных идей с широким использованием волн сверхвысокочастотного диапазона привело к построению теории излучения и поглощения света, созданию первого лазера и к основанию квантовой электроники как новой физической науки.

В середине 1950-х гг. профессор А.М. Прохоров и его ученик Н.Г. Басов приступили к исследованию молекулярного генератора на пучках аммиака. Ученым впервые удалось создать квантовый генератор, работающий на энергетических переходах в радиодиапазоне в молекулярных пучках. Им стал аммиачный мазер. К мазеру «в довесок» была создана и теория усилителя радиоизлучения. Так родилась квантовая электроника.

Впоследствии были созданы и другие молекулярные генераторы, например мазер на пучке молекул водорода. После завершения работ по мазерам возник вопрос о создании лазеров оптического диапазона. Следующим важным шагом в развитии квантовой электроники стал предложенный в 1955 г. Басовым и Прохоровым метод трех уровней, позволивший использовать для этой цели оптическую накачку. На этой основе в 1957–1958 гг. Г.Э. Сковилом и др. были созданы квантовые усилители на парамагнитных кристаллах (на рубине), работавшие в радиодиапазоне, первый т. н. твердотельный лазер. Затем были созданы газовые лазеры на смеси изотопов гелия и неона, на углекислом газе, аргоновые, кадмиевые, эксимерные, полупроводниковые, инжекционные, на молекулах органических красителей и т. д.

Под накачкой понимают пропускание через лазер энергии извне. Смысл лазерного луча в том, что этот свет обладает некоей согласованностью (когерентностью), позволяющей энергию «сжать в точку» (т. н. талию луча) несравненно сильнее, нежели в луче от обычного источника света. Кроме того, лазер может излучать свет гораздо более короткими импульсами, чем обычные источники света. В лазерном луче при этом достигается колоссальная плотность энергии, соизмеримая с взрывом авиационной бомбы. Давление света, сконцентрированного на малой площадке, достигает миллиона атмосфер. Лазерным лучом можно разрезать металлический лист из самого твердого и тугоплавкого металла.

В 1964 г Прохорову, Басову и Ч. Таунсу, занимавшемуся этой же проблемой независимо от советских ученых, была присуждена Нобелевская премия по физике. Вскоре после этого астрономы обнаружили, что некоторые из далеких галактик работают как исполинские мазеры, то есть в лабораторных условиях Земли были воссозданы условия для генераций, которые возникают в огромных газовых облаках размером в миллиарды километров, где источником накачки служит космическое излучение.

О применении квантовой электроники, и, в частности, лазеров, можно говорить долго.

Радиоастрономия; космическая связь (исследование поверхности Луны, навигационное оборудование на ИСЗ, космических кораблях и пр.); медицина (хирургия, офтальмология и др.); технология (сварка, резка и т. д.); метрология (квантовые стандарты частоты и времени, лазерные дальномеры, системы дистанционного химического анализа, лазерной локации); измерительная техника (оптическая локации, сверхточные измерения расстояний, линейных и угловых скоростей, ускорений и т. д.).

Создание и управление высокотемпературной плазмой; лазерная спектроскопия, фотохимия, фитобиология, лазерная очистка, лазерное разделение изотопов; создание систем оптической связи и обработки информации.

Осуществление идеи голографии и голографических приборов; лазерные методы контроля состояния атмосферы, качества изделий; системы лазерной связи (наземные, подводные, космические).

Очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов.

Для осуществления управляемой термоядерной реакции…

Лазеры с каждым днем все более востребованы в науке и народном хозяйстве России, так же как все более актуальными становятся слова академика А.М. Прохорова, сказанные им в одном из последних своих интервью:

«– Как вы думаете, недавняя Нобелевская премия Ж.И. Алферову поможет изменить ситуацию с наукой в стране?

– Нет.

– Почему?

– Не знаю. Странные какие-то статьи появляются, что не надо быть сверхдержавой. А какой надо быть державой? Развивающейся страной, что ли, быть? Или как Люксембург? Здесь полное непонимание наверху. Ну, во-первых, о том, как заниматься наукой, в основном говорят люди, которые никогда не занимались практической наукой и не сделали ничего существенного. Некоторые выступают, что надо более узко подходить, только прикладными вопросами заниматься. Но как человек может, занимаясь только прикладными вещами, развивать в дальнейшем науку и технологии, новые направления?»

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ АЛФЁРОВА

Физик, инженер, лектор, педагог, общественный и государственный деятель; профессор ЛЭТИ, ЛПИ, ректор СПбГЭТУ; академик, председатель президиума Санкт-Петербургского научного центра РАН, вице-президент АН СССР (РАН); член 30 национальных АН, научных сообществ; почетный доктор и профессор 40 отечественных и зарубежных научно-образовательных учреждений; глава научной школы; директор Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе; научный руководитель инновационного центра в Сколкове; главный редактор журнала «Письма в Журнал технической физики»; кавалер орденов Октябрьской Революции, Ленина, «Знак Почета», Трудового Красного Знамени, «Зa заслуги перед Отечеством» четырех степеней, а также многих других орденов и медалей СССР, России и других государств; лауреат Ленинской премии, Нобелевской премии по физике за 2000 г. (вместе с Г. Крёмером), премии Балантайна Института Франклина (США) и других премий; народный депутат СССР, депутат ГД ФС РФ, Жорес Иванович Алфёров (род. 1930) является основоположником нового направления – физики гетероструктур, оптоэлектроники и электроники на их основе.

Здесь перечислена лишь часть забот и наград академика, но нас интересует в первую очередь главное научное достижение Ж.И. Алфёрова, за которое он был удостоен благодарности человечества и самых почетных премий, в том числе Нобелевской по физике (2000) – «за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной и оптоэлектроники». Гетероструктурой в физике полупроводников называют выращенную на основном материале (подложке) слоистую структуру из различных полупроводников, отличающихся физико-энергетическими характеристиками материалов: шириной запрещенных зон, положением потолка валентной зоны и дна зоны проводимости. В месте контакта двух различных полупроводников формируется т. н. гетеропереход с повышенной концентрацией носителей, который, собственно, и используется затем в электронике.

Ж.И. Алфёров

Полупроводниковые гетероструктуры, полученные Алфёровым и его сотрудниками в результате фундаментальных исследований в области полупроводников, чрезвычайно интересные с научной точки зрения, нашли широчайшее применение в современной технике. По одним только своим габаритам они не идут ни в какое сравнение с традиционными радиосхемами. Слои полупроводников, имеющие толщину в несколько атомов, представляют собой крохотные кристаллики, рядом с которыми резисторы, конденсаторы, лампы выглядят мастодонтами. Скажем, размеры активного элемента полупроводникового лазера колеблются в диапазоне от 50 мкм до 1 мм.

Эти структуры идут для изготовления электронных устройств – лазерных диодов, на которых основана работа современных компьютеров, Интернета, сотовой связи, лазерных компакт-дисков, устройств, декодирующих товарные ярлыки, лазерных указок, спутниковых антенн, систем космической связи. На основе гетероструктур работают мощные светодиоды, используемые в светофорах, лампах тормозного освещения в автомобилях, дисплеях. Появление гетерогенных структур привело к созданию производства солнечных батарей – основы будущей солнечной энергетики, которая, по мнению Алфёрова, «к концу XXI столетия, если не раньше, в значительной степени заменит атомные и тепловые электростанции».