Лазерный мир

В 1925 году индиец Шатьендранат Бозе и Альберт Эйнштейн теоретически предсказали существование необычного состояния вещества – конденсат атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля (273 градуса ниже нуля). В нем частицы мироздания ведут себя как единое целое (когерентно). Пример высокой степени когерентности – лазер: фотоны имеют одинаковую длину волны (частоту) в отличие от разрозненного потока отличающихся по этому параметру квантов света, например, лампы накаливания.

Сначала когерентный поток микроволнового излучения получили советские физики Николай Басов и Александр Прохоров. Затем ту же операцию с фотонами проделал Чарлз Таунс. Все трое и получили Нобелевскую премию в 1964 году. Рентгеновские лазеры позволяют благодаря ничтожно малой длине волны рассмотреть с атомным разрешением даже биомолекулы.

Со временем лазеры стали использовать для охлаждения термически неспокойных атомов, отнимая у них с помощью фотонов частичку энергии колебаний-вибраций. В результате был получен конденсат Бозе–Эйнштейна (ВЕС). Еще выяснилось, что колебания частиц в среде порождают так называемые фононы, которые также можно «когерировать». Это открывало дорогу к созданию фононного лазера, имеющего определенные преимущества перед привычным фотонным лазером. Дело в том, что фотоны слабо взаимодействуют с веществом, что, кстати, ограничивает рост эффективности солнечных батарей-панелей.

Сотрудники Физического института в Бонне вместе с бразильскими коллегами Университета в г. Рио-Негро сумели поместить ВЕС в ловушку между двумя слоями DBR (дистрибутированными рефлекторами Брэгга). DBR не дают рассеиваться энергии конденсата Бозе–Эйнштейна ВЕС, в результате с двух его полюсов испускаются лучи фотонного и фононного лазеров.

Конденсат Бозе–Эйнштейна в ловушке между двумя слоями-отражателями Брэгга: вверху зеленый луч фотонного лазера, внизу – красный фононного.

Прогресс лазерной техники позволил достичь уровня аттосекундных импульсов, длительность которых не превышает миллиардных долей наносекунды (10–18 с). С помощью таких импульсов в Стэнфордском университете «разглядели» неровности (ripples). Их создают на поверхности молекулы этил-йодида рентгеновские разряды длительностью 280 аттосек, приходящие от пучка свободных электронов.

Но рентгеновские лазеры слишком дороги и громоздки. В Оук-Ридже и Университете штата Небраска предложили для будущих сетей коммуникации использовать плазмоны, генерируемые фотонным потоком на конце металлизированного оптоволокна. Энергия квантов света генерирует электронную «общность» металлических электронов, коллективные осцилляции которых дают диодный лазер стоимостью не более 10 долл. Статья ученых в журнале New J. Physics называется «Поверхностный плазмон ускоренных электронов металла, нанесенного на наноокончания оптоволокна».

Естественно, что металлизация нановолокна невозможна без соответствующего масштаба технологии. И такие технологии существуют, они используются для получения так называемых 2D-пленочных материалов. Яркий пример – графеновый монослой. В 2D-пленках «работают» квантовые эффекты, которые теряются с увеличением размеров и, как следствие, нарастанием паразитических вибраций в среде.

Возникновение «неровностей» (ripples) на поверхности молекулы йодида этана. Иллюстрации Physorg

2D-пленки обещают существенное повышение эффективности солнечных панелей. Физики Пенсильванского университета в Филадельфии опубликовали результаты компьютерного анализа эффективности преобразования солнечной энергии в электрический ток в «стопках» тонкопленочных слоев. Последние имеют преимущество перед распространенными сегодня солнечными ячейками на основе кристаллического кремния. Дело в том, что производство тонких пленок технологичнее и дешевле по сравнению с классической кремниевой микроэлектроникой. Толщина двух основных слоев – CIGS (CuIn-GaSe) и CZTSSe (CuZnSn-Tin SSe) – достигает 300 и 870 нанометров соответственно. То есть 0,3 и 0,87 микрона. Авторы отмечают, что эффективность конверсии солнечной энергии в слое CIGS достигает 20%, второго же слоя – 11%, но в совокупности суммарный эффект может достичь 34%.

Столь высокий показатель эффективности солнечной батареи сделает солнечную энергию вполне рентабельной и используемой в широких масштабах. Устройства с таким КПД могут превратить Сахару и Австралию в новые энергетические «эмираты». Нефть останется лишь для различных органических синтезов

Источник: https://www.ng.ru/science/2020-11-10/12_8010_sahara.html