Главная / Наука / Ученые-физики кардинально пересмотрели теорию, касающуюся принципов работы лазера

Ученые-физики кардинально пересмотрели теорию, касающуюся принципов работы лазера

Ученые-физики кардинально пересмотрели теорию, касающуюся принципов работы лазера

Отметим, что оптическое устройство, позволяющее получить когерентный монохроматический луч света и известное под названием лазер, было изобретено более 60 лет назад. И, казалось бы, что за столь долгое время, в течение которого лазеры нашли очень широкое применение в самых различных областях науки и техники, ученые должны были досконально разобраться в принципах работы этого устройства, которое, согласно современным учебникам физики работает на границе между классической физикой и квантовой механикой. Но не так давно ученые из университета Суррея, Великобритания, Технологического института Карлсруэ и института IOSB Фраунгофера, Германия, опубликовали в журнале «Progress in Quantum Electronics» работу, в которой они поставили под большое сомнение ортодоксальную теорию о принципах работы лазера.

То, что дало ученым возможность поставить под сомнение существующую теорию, является шириной спектральной линии лазерного света. По всем канонам физики идеальный лазер должен производить свет строго определенной длины волны, т.е. ширина его спектральной линии должна стремиться к бесконечно малому значению. На практике же лазеры производят фотоны света, имеющие очень малые отклонения длины волны от базового значения, и эти отклонения делают так, что ширина спектральной линии лазерного света имеет определенное ненулевое значение, и чем выше класс (качество) лазера, тем тоньше ширина этой линии.

В ортодоксальной теории это объясняется влиянием некоторых эффектов из области квантовой механики. Но такое объяснение, при тщательном рассмотрении, не выдерживает критики. Оно не раз становилось причиной затруднительного положения, в которое попадали некоторые преподаватели физики, которым наиболее умные из студентов задавали на лекциях весьма «неудобные» вопросы.

Проведя свои эксперименты, ученые обнаружили, что основной принцип работы лазера, определяющий, что усиление света в теле лазера полностью компенсирует потери, является весьма приближенным к действительности. Ученые измерили количественные значения энергетических потерь в лазере и выяснили, что существует еще один вид крошечных избыточных потерь, которые никак не компенсируются усилением света, и они, эти потери, прямо влияют на расширение спектральной линии лазерного света. Другими словами, во всем этом не наблюдается никакого влияния квантовой механики, а работают обычные классические физические явления.

«Как нам удалось выяснить, существует достаточно простое и легкое объяснение факту существования ненулевой толщины спектральной линии лазерного света» — рассказывает Маркус Полно (Markus Pollnau), профессор из университета Суррея, — «В этом объяснении фигурируют лишь законы и базовые принципы классической физики, все попытки объяснить это с точки зрения квантовой механики являются безнадежно неправильными. И данный факт должен заставить нас полностью пересмотреть некоторые из аспектов «взаимоотношений» между классической физикой и квантовой механикой».

Смотрите также

Установлен мировой рекорд по длительности непрерывной работы плазменного ускорителя частиц

Установлен мировой рекорд по длительности непрерывной работы плазменного ускорителя частиц

Группа ученых и инженеров из германской исследовательской организации Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) достигла очень важного этапа на пути создания ускорителя частиц следующего поколения. Впервые созданный ими экспериментальный лазерно-плазменный ускоритель LUX beamline проработал непрерывно более суток, точнее, в течение 30 часов, генерируя лучи высокоэнергетических электронов. И теперь технология лазерно-плазменного ускорения, по мнению ученых, готова выйти из стен лабораторий в поле практического применения.

Ученые-физики надеются, что метод лазерно-плазменного ускорения станет основой нового поколения мощных и компактных ускорителей частиц. В этом методе луч лазерного света или пучок высокоэнергетических частиц создает плазменную волну во внутреннем объеме ускорителя, геометрия которого тщательно рассчитывается и приближается к идеальной. Плазма — это газ, в котором молекулы газа лишены части своих электронов, в ускорителе LUX в качестве этого газа используется чистый водород.

Импульсы лазерного света проходят сквозь газ в форме тонких энергетических дисков, которые буквально сдирают электроны с атомов водорода и «отметают» эти электроны в нужную сторону. Затем эти электроны ускоряются положительно заряженной плазменной волной, подобно тому, как серферы движутся на гребне морской волны.

Это явление позволяет плазменным ускорителям достигать скоростей и энергий разогнанных электронов в тысячи раз больших, чем это могут сделать самые мощные из существующих линейных или синхротронных ускорителей. Однако, для того, чтобы сделать плазменные ускорители ближе к практическому применению, ученым еще предстоит решить ряд сложных технических проблем, таких как недавно решенная проблема с длительностью непрерывной работы.

Во время рекордного по длительности периода работы ускорителя LUX ученые разгоняли более чем 100 тысяч электронных «пакетов» по одному за каждую секунду времени. Благодаря возможности точной настройки лазера и параметров создаваемой плазменной волны, характеристики выходного электронного луча могут изменяться в широком диапазоне и поддерживаться с высокой точностью. «Теперь нам точно известно то, что мы должны сделать для получения более качественного луча электронов» — пишут исследователи, — «Вскоре мы создадим новую технологию активной стабилизации лучей, которая позволит вывести новый ускоритель на более высокий качественный уровень».

Отметим, что во время рекордного периода работы ускорителя LUX ученые занимались испытаниями работы вакуумной системы, лазеров очень сложной системы управления всем этим. «В принципе, система могла продолжать работать и дальше. Но мы приняли решение остановить ее после 30 часов, так как за это время мы выяснили все нас интересующее» — пишут исследователи, — «После этого мы повторяли подобные запуски еще три раза, каждый раз уточняя некоторые моменты».

«Наша работа демонстрирует, что лазерно-плазменные ускорители являются хорошо управляемыми устройствами, позволяющими получать высококачественные лучи высокоэнергетических частиц» — подводят итог исследователи, — «И мы надеемся, что новые технологии, реализованные нами в конструкции ускорителя LUX, станут основой для создания ускорителей следующих поколений здесь, в DESY, и в других уголках земного шара».

Установлен мировой рекорд по длительности непрерывной работы плазменного ускорителя частиц

Группа ученых и инженеров из германской исследовательской организации Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) достигла очень важного этапа на пути создания ускорителя частиц следующего поколения. Впервые созданный ими экспериментальный лазерно-плазменный ускоритель LUX beamline проработал непрерывно более суток, точнее, в течение 30 часов, генерируя лучи высокоэнергетических электронов. И теперь технология лазерно-плазменного ускорения, по мнению ученых, готова выйти из стен лабораторий в поле практического применения.

Ученые-физики надеются, что метод лазерно-плазменного ускорения станет основой нового поколения мощных и компактных ускорителей частиц. В этом методе луч лазерного света или пучок высокоэнергетических частиц создает плазменную волну во внутреннем объеме ускорителя, геометрия которого тщательно рассчитывается и приближается к идеальной. Плазма — это газ, в котором молекулы газа лишены части своих электронов, в ускорителе LUX в качестве этого газа используется чистый водород.

Импульсы лазерного света проходят сквозь газ в форме тонких энергетических дисков, которые буквально сдирают электроны с атомов водорода и «отметают» эти электроны в нужную сторону. Затем эти электроны ускоряются положительно заряженной плазменной волной, подобно тому, как серферы движутся на гребне морской волны.

Это явление позволяет плазменным ускорителям достигать скоростей и энергий разогнанных электронов в тысячи раз больших, чем это могут сделать самые мощные из существующих линейных или синхротронных ускорителей. Однако, для того, чтобы сделать плазменные ускорители ближе к практическому применению, ученым еще предстоит решить ряд сложных технических проблем, таких как недавно решенная проблема с длительностью непрерывной работы.

Во время рекордного по длительности периода работы ускорителя LUX ученые разгоняли более чем 100 тысяч электронных «пакетов» по одному за каждую секунду времени. Благодаря возможности точной настройки лазера и параметров создаваемой плазменной волны, характеристики выходного электронного луча могут изменяться в широком диапазоне и поддерживаться с высокой точностью. «Теперь нам точно известно то, что мы должны сделать для получения более качественного луча электронов» — пишут исследователи, — «Вскоре мы создадим новую технологию активной стабилизации лучей, которая позволит вывести новый ускоритель на более высокий качественный уровень».

Отметим, что во время рекордного периода работы ускорителя LUX ученые занимались испытаниями работы вакуумной системы, лазеров очень сложной системы управления всем этим. «В принципе, система могла продолжать работать и дальше. Но мы приняли решение остановить ее после 30 часов, так как за это время мы выяснили все нас интересующее» — пишут исследователи, — «После этого мы повторяли подобные запуски еще три раза, каждый раз уточняя некоторые моменты».

«Наша работа демонстрирует, что лазерно-плазменные ускорители являются хорошо управляемыми устройствами, позволяющими получать высококачественные лучи высокоэнергетических частиц» — подводят итог исследователи, — «И мы надеемся, что новые технологии, реализованные нами в конструкции ускорителя LUX, станут основой для создания ускорителей следующих поколений здесь, в DESY, и в других уголках земного шара».

Ученым впервые удалось добиться взаимодействия между двумя пространственно-временными кристаллами

Ученым впервые удалось добиться взаимодействия между двумя пространственно-временными кристаллами

Ученым, впервые в истории науки, удалось засвидетельствовать взаимодействие между двумя материальными образованиями, которые находятся в особом квантовом состоянии, известном под названием «пространственно-временные кристаллы». Результаты данного достижения могут стать основой новых технологий обработки квантовой информации из-за того, что структура пространственно-временных кристаллов остается стабильной и сохраняет свою последовательность, невзирая на изменяющиеся условия окружающей среды. И именно эта стабильность сможет обеспечить надежную работу процессоров мощных квантовых компьютеров, состоящих из сотен и тысяч квантовых битов, кубитов.

Напомним нашим читателям, что пространственно-временные кристаллы практически не имеют ничего общего с обычными кристаллами, которые состоят из соединенных друг с другом атомов, формирующих повторяющуюся в пространстве решетчатую структуру. Теоретическую возможность существования пространственно-временных кристаллов обосновал в 2012 году Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek), а уже в 2016 году ученым удалось создать и наблюдать поведение частиц первого реального пространственно-временного кристалла.

Частицы, из которых состоят пространственно-временные кристаллы, находятся в постоянном движении, они колеблются, вращаются и перемещаются в разных направлениях. Но, несмотря на такое сложное движение, через строго определенные промежутки времени структура всего кристалла возвращается к своей исходной форме, невзирая на любые внешние воздействия.

Международная группа ученых из университетов Ланкастера и Йельского университета, Великобритания, университета Аальто, Хельсинки, создала пространственно-временные кристаллы в среде гелия-3, редкого изотопа гелия, в ядре которого не хватает одного нейтрона. Сверхтекучий гелий-3 был охлажден до температуры в одну десятитысячную градуса выше точки абсолютного нуля (0.0001K или -273.15 градуса Цельсия). И в получившейся после такого охлаждения сверхтекучей жидкости (супержидкости) ученым удалось индуцировать два кристалла, которые слегка «затрагивали» друг друга.

Заглянув в объем супержидкости при помощи специализированного оборудования, ученые увидели, что два кристалла взаимодействуют друг с другом. Частицы одного кристалла, не нарушая его структуры, постоянно перетекают в другой пространственно-временной кристалл и через некоторое время возвращаются назад в процессе, известном под названием эффекта Джозефсона (Josephson effect).

И в заключение следует отметить, что у пространственно-временных кристаллов имеется очень большой потенциал для их практического применения. При их помощи могут быть созданы новые атомные часы, имеющие точность, близкую к максимально возможному теоретическому пределу, на основе таких кристаллов могут быть созданы высокоточные гироскопы и масса других вещей, где пространственно-временные кристаллы будут выступать высокостабильными источниками эталонных сигналов.

Ученым впервые удалось добиться взаимодействия между двумя пространственно-временными кристаллами

Ученым, впервые в истории науки, удалось засвидетельствовать взаимодействие между двумя материальными образованиями, которые находятся в особом квантовом состоянии, известном под названием «пространственно-временные кристаллы». Результаты данного достижения могут стать основой новых технологий обработки квантовой информации из-за того, что структура пространственно-временных кристаллов остается стабильной и сохраняет свою последовательность, невзирая на изменяющиеся условия окружающей среды. И именно эта стабильность сможет обеспечить надежную работу процессоров мощных квантовых компьютеров, состоящих из сотен и тысяч квантовых битов, кубитов.

Напомним нашим читателям, что пространственно-временные кристаллы практически не имеют ничего общего с обычными кристаллами, которые состоят из соединенных друг с другом атомов, формирующих повторяющуюся в пространстве решетчатую структуру. Теоретическую возможность существования пространственно-временных кристаллов обосновал в 2012 году Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek), а уже в 2016 году ученым удалось создать и наблюдать поведение частиц первого реального пространственно-временного кристалла.

Частицы, из которых состоят пространственно-временные кристаллы, находятся в постоянном движении, они колеблются, вращаются и перемещаются в разных направлениях. Но, несмотря на такое сложное движение, через строго определенные промежутки времени структура всего кристалла возвращается к своей исходной форме, невзирая на любые внешние воздействия.

Международная группа ученых из университетов Ланкастера и Йельского университета, Великобритания, университета Аальто, Хельсинки, создала пространственно-временные кристаллы в среде гелия-3, редкого изотопа гелия, в ядре которого не хватает одного нейтрона. Сверхтекучий гелий-3 был охлажден до температуры в одну десятитысячную градуса выше точки абсолютного нуля (0.0001K или -273.15 градуса Цельсия). И в получившейся после такого охлаждения сверхтекучей жидкости (супержидкости) ученым удалось индуцировать два кристалла, которые слегка «затрагивали» друг друга.

Заглянув в объем супержидкости при помощи специализированного оборудования, ученые увидели, что два кристалла взаимодействуют друг с другом. Частицы одного кристалла, не нарушая его структуры, постоянно перетекают в другой пространственно-временной кристалл и через некоторое время возвращаются назад в процессе, известном под названием эффекта Джозефсона (Josephson effect).

И в заключение следует отметить, что у пространственно-временных кристаллов имеется очень большой потенциал для их практического применения. При их помощи могут быть созданы новые атомные часы, имеющие точность, близкую к максимально возможному теоретическому пределу, на основе таких кристаллов могут быть созданы высокоточные гироскопы и масса других вещей, где пространственно-временные кристаллы будут выступать высокостабильными источниками эталонных сигналов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *