Квантовый лазер и дешев, и сердит

Появившийся полвека назад лазер не нашел применения в тех областях, куда предназначался. Не стал ни оружием массового поражения, ни быстрыми и бесшумными «лучами смерти». Но переоценить его роль невозможно ни в атомной, к примеру, энергетике, ни в микрохирургия глаза. А кино с многомиллиардными оборотами, с DVD и Blu-ray дисками! И вот грядет новый виток лазерных технологий, больше похожий на революцию.

К ученым недавно попало новое универсальное оружием под названием поляритон. Эта квазичастица возникает при взаимодействии фотонов и элементарных возмущений среды и совмещает в себе свойства материи и света. Хотя существование подобного объекта физического мира было предсказано уравнениями Максвелла очень давно, ученым долгое время не удавалось приручить эту строптивую частицу.

Существование поляритона, который не является ни светом, ни материей, но обеими составляющими сразу, может быть объяснено только с позиции квантовой физики. Из-за странности его конструкции поляритон не может сохраняться в реальном мире дольше, чем доли секунды. Только в 1991 году японских ученым удалось поймать эту квазичастицу в ловушку из крошечных зеркальных ячеек, известную под названием «полупроводниковая микропористость».

Процесс созревания поляритонов очень сложен. Сначала создается многослойный «бутерброд» из полупроводниковых материалов, называемый также «квантовый колодец». Электроны в таком пироге зажаты между слоями и находятся в состоянии частичного возбуждения. Под воздействием дополнительной энергии – тока или света – электроны перескакивают на более высокий энергетический уровень, оставляя после себя так называемые «дырки».

Каждая пара электрон-дырок образует нейтральную квазичастицу экситон с очень коротким периодом жизни. Дело в том, что электрон не может долго хранить излишнюю энергию, он ее передаст дальше, а сам вернется в предыдущую позицию, уничтожив «дырку». При этом выделяется еще одна порция энергии в виде фотона света.

Дальше вступают в игру хитроумные физические законы. Если поместить «квантовой колодец» между двух зеркал, создав полость толщиной в миллиметр, то отраженный фотон вернется назад и создаст новый экситон, который в свою очередь выделит энергию для другого фотона.

Аккуратно манипулируя расстоянием между зеркалами, можно создать достаточное количество фотонов, которые вызовут появление постоянно резонирующего слоя из экситонов. Скорость резонирования начнет расти, в результате чего переходы между материей и энергией будут совершаться несколько триллионов раз в секунду. Описание состояние подобной системы в соответствии с канонами квантовой физики невозможно – это и будет поляритон, в котором энергия фотона будет сливаться с материей электрона.

В запутанных квантовых системах частицы не могут существовать одновременно на одинаковых энергетических уровнях, и поляритоны будут вынуждены занять когерентное состояние, в котором начнут испускать высокочастотный свет. Так получается квантовый лазер, обладающий самой высокой частотой из всех доступных в настоящее время науке.

Новая технология может быть успешно использована во множестве областей человеческой жизнедеятельности. Достаточно сказать, что технологии записи на дисковые носители, построенные на квантовом лазере, могут обеспечить плотность записи, в сотни раз превосходящую Blu - ray . Кроме того, создание подобных устройств будет гораздо дешевле, поскольку существенно понизится процент брака (в брак отсеивается до 75 процентов кристаллов нитрида галлия, используемые в Blu - ray ), а следовательно, нас ждет массовый всплеск производства дешевой и надежной аудио-видеотехники.