«Это открытие привело, фактически, к революции в физике лазеров» - заявила Клер Гмахл, лидер коллектива исследователей. Гмахл является специалистом по электронике, и раскрывает некоторые детали революционного устройства: устройство называется квантовым каскадным лазером, оно порождает лазерный луч при пропускании электрического тока сквозь материал с особо сложной структурой. При испытании устройства было случайно обнаружено, что помимо основного луча устройство порождает вторичный, сопутствующий луч, наделенный довольно необычными свойствами, при этом требующий меньших затрат электроэнергии. «Если мы сумеем избавиться от основного луча, то получим лазер совершенно нового типа, более экономичный чем прежний, в плане энергозатрат», - утверждает Гмахл.
Необычайное устройство, в процессе испытаний которого обнаружился этот полезный эффект, сконструировал Кейл Франц, бывший студент, преподавателем которого г-жа Гмахл была долгое время. Ему помогал в создании каскадного лазера Стефан Менцель, выпускник университета в Шеффилде. Он первым обнаружил загадочный второй луч прошлым летом, на студенческих соревнованиях на научной ниве, в Принстонском университете.
Луч света, который испускается лазером, по своей природе в корне отличается от света солнца, электролампы или свечки. Если на пути солнечного света поставить призму, луч распадется на семь радужных цветов, каждый из которых образован волнами, отличной от всех остальных цветов, длины. Достаточно снова «смешать» волны разной длины вместе, и опять мы получим «белый» свет. У лазера луч состоит из волн совершенно одинаковой длины. Это означает не только невозможность разложить его на цвета радуги - такой луч однороден по своей природе, - но и то, что этот луч обладает уникальными свойствами.
Один из способов получения лазерного луча – это проведение электротока через особый вид полупроводника. В результате внутри полупроводника электроны «перескакивают» на более высокий энергетический уровень, а позже, при определенных условиях, «прыгают» обратно. «Излишек» энергии «сбегает» в окружающее пространство как когерентный поток фотонов, то есть световые волны одинаковой длины. По этому принципу работают лазерные указки, все устройства для чтения лазерных дисков и еще множество видов бытовой техники.
Новый каскадный лазер, изобретенный в Принстоне, по размеру совсем крошечный. Его сконструировали при помощи нанотехнологий, он в десятки раз тоньше человеческого волоса. Длина всего устройства - три миллиметра. При этом материалы, из которого устройство выполнено, состоят из десятков слоев разных полупроводящих материалов. Каждый их слой толщиной всего лишь в несколько атомов. В процессе того, как «раскрученные» электроны тратят энергию, они «перепрыгивают» с одной «ступеньки» - слоя - на другую, порождая при каждом прыжке световые волны одной длины.
Еще в 2007 году Гмахл, Францем и их коллегами было опубликовано первое сообщение, в одном из научных журналов, об обнаружении таинственного сопутствующего луча с волнами немного более короткой длины, по сравнению с основным лучом. Спустя почти год ученые признались, что они не могут найти удовлетворительного объяснения этому явлению в рамках на сегодня существующих теорий функционирования каскадно-лазерного устройства. По мере повышения температуры полупроводника, сопутствующий луч становился все более и более сильным, правда, до некоторого определенного предела. Обычно лазеры себя так не ведут. Франц утверждает, что в процессе данного исследования «был открыт совершенно новый механизм излучения полупроводником световых волн».
Излучение квантово-каскадных лазеров, в отличие от их обычных аналогов, находится в рамках инфракрасного спектра, что допускает использование изобретения в медицине. Подобный луч легко «нащупывает» в среде, через которую его пропускают, даже микроскопическое количество взвесей, паров и газов любых веществ, способных по своей природе к поглощению инфракрасного излучения.
