Журнал "Компьютерра" N735 - Журнал Компьютерра

Физикам из Института квантовой электроники в Цюрихе вместе с коллегами из Йельского университета удалось создать законченную теорию случайных лазеров. Теперь этим экзотическим устройствам, которые потенциально могут быть использованы во множестве коммерческих приложений, легче проторить дорогу в заводские цеха.

Если с теорией изобретенных в шестидесятые годы обычных лазеров давно все более-менее благополучно, то как работают так называемые случайные лазеры, появившиеся в середине девяностых, ученым до сих пор было не совсем понятно. В обычном лазере всегда есть оптический резонатор (в простейшем случае это пара зеркал), который определяет длину волны излучения. Между зеркалами в резонаторе находится активная среда в виде газа, кюветы с красителем, прозрачного стекла или кристалла с примесями. Атомы или молекулы активной среды специально возбуждаются светом накачки или, например, электронным ударом так, чтобы они могли излучать свет в районе частоты резонатора. В резонаторе свет, многократно отражаясь от зеркал, проходит сквозь среду, заставляя ее излучать еще и еще, причем согласованно с определяемой резонатором электромагнитной волной. Так за счет положительной обратной связи в резонаторе свет усиливается, и возникает когерентное лазерное излучение.

В случайном лазере резонатора нет вовсе, и он не генерирует тонкий луч, а светит в разные стороны. Но его активная среда обычно хорошо рассеивает излучение. В результате фотоны, блуждая по среде, прежде чем ее покинуть, много раз встречают возбужденные атомы и снова заставляют их излучать, усиливая излучение. Это отдаленно напоминает процесс размножения нейтронов в ядерном реакторе. Однако процесс многократного рассеяния в неоднородной среде описать гораздо сложнее, чем стоячую волну в резонаторе. Поэтому эксперименты часто преподносили непонятные сюрпризы. Например, добавление рассеивающих частиц в обычный случайный лазер на красителях вопреки ожиданиям снижало его эффективность.

Теперь ученым, наконец, удалось корректно описать физические процессы в случайных лазерах разных типов, правильно учтя рассеяние излучения. Кроме этого, теория вполне подходит для описания лазеров, у которых в качестве резонатора используется фотонный кристалл.

Приложения у таких лазеров могут быть самые неожиданные. Например, можно сделать миниатюрный температурный датчик, представляющий собой просто кусочек специальной чувствительной к температуре активной среды, закрепленный в нужном месте. Если ее накачать, например, посветив обычным лазером, то цвет излучения случайного лазера будет определяться температурой кусочка и легко может быть считан на расстоянии.

Другим приложением могут стать печати для документов, которые в принципе невозможно подделать. Для этого их краску делают из лазерного красителя и добавляют в нее отражающие частицы. После высыхания значение длины волны генерируемого печатью света будет определяться расположением всех отражающих частиц, а поскольку их число и расположение всякий раз разное, то и длина волны для каждой печати уникальна. ГА

Исследователи из Гарвардского университета при поддержке немецких коллег разработали простой и дешевый способ встраивания полупроводниковых нановолокон в кремниевые чипы. Он прекрасно вписывается в современное массовое производство и обещает решить старую проблему интеграции в чипы эффективных излучателей.

Ученые экспериментировали с нановолокнами из оксида цинка с электронным типом проводимости. Сначала их поместили на хорошо проводящую кремниевую подложку с дырочной проводимостью p-типа, затем на две трети залили изолирующим слоем стекла, а уже сверху посередине нанесли второй металлический электрод. Ток с него равномерно перетекает в нанонить почти по всей ее длине, а концы нити начинают работать как два светодиода, излучающих ультрафиолет с длиной волны 380 нм.

Взяв вместо оксида цинка другой полупроводник, можно получать светодиоды практически на любую нужную длину волны, от инфракрасного диапазона до ультрафиолета. Метод бутерброда не зависит от положения и ориентации нановолокон. Но как именно следует помещать нановолокна в нужных местах, изобретатели скромно умалчивают. Для этого есть несколько способов, но предложенный подход пока не слишком гладко сочетается с ними, так что ученым есть еще над чем поработать.

Однако игра стоит свеч. Таким образом можно изготавливать большие массивы нанолазеров для оптических соединений внутри и между чипами, излучатели фотонных компьютеров или даже чипы для химических анализов. ГА

Простые и изящные эксперименты, прямо подтвердившие доказанную 124 года тому назад первооткрывателем электрона Дж. Дж. Томсоном теорему об устойчивости кольца вихрей, провели ученые из Университета Конкордии в Монреале. Впрочем, очень похожие эксперименты практически одновременно выполнили физики из Датского технического университета в Копенгагене. Ну а если покопаться в литературе, то, вполне вероятно, отыщется статья, в которой нечто похожее уже делали с полвека тому назад.

В начале научной карьеры сэра Джозефа Джона Томсона в моде была теория, согласно которой атомы и молекулы - это просто вихри или их комбинации в заполняющем все пространство эфире. С открытием электрона, а затем и других элементарных частиц о теории вихрей благополучно забыли, но некоторые ее нетривиальные результаты все же оказались полезны.

Дело в том, что если взглянуть на южный полюс Земли из космоса, то порой можно стать свидетелем странной картины. Скопившаяся в верхних слоях атмосферы плотная пелена облаков увлекается вращением планеты и образует замысловатые вихри. Центр у них всегда круглый, а вот края иногда принимают форму правильного многоугольника с числом углов до шести. Подобные многоугольники иногда возникают в центрах ураганов, шестиугольный вихрь прописался на северном полюсе Сатурна, а в центре спиральной галактики NGC 598 астрономы наблюдают треугольную конструкцию. Но никто никогда не видал семиугольника или фигуры с большим числом углов. Так и должно быть. Это запрещает теорема Томсона, утверждающая, что образования из семи и большего числа вихрей неустойчивы.

Но полюс полюсом, а хотелось бы "пощупать" вихри в лаборатории. Это и проделали канадские физики на простой установке из прозрачного ведра с вращающимся дном. Воды наливали немного - так, чтобы центробежные силы оттесняли воду к краям, а центр становился сухим. Скорость вращения дна постепенно увеличивали, а процесс снимали на цифровую камеру.

Как и ожидалось, сначала вихрь в ведре был круглым, а затем, по мере увеличения скорости, как и предсказывает теория, возникал 3-, 4-, 5- и, наконец, 6-угольник из вихрей. Шестиугольник был чрезвычайно устойчив, а семиугольник никогда не наблюдался. Похожие результаты получили в Дании, но там воды не жалели и попутно изучили, что изменяется в зависимости от глубины.

Ученые решили не останавливаться на достигнутом и заняться уточнением теории, а также численным моделированием процесса образования вихрей. Благо ведро, в отличие от полюса, всегда под рукой и проверить результаты расчетов будет совсем нетрудно. ГА

Химики Лейбницевского института катализа (Росток, Германия) научились получать водород для топливных элементов из муравьиной кислоты. Реакция идет при комнатной температуре и не требует сложного оборудования, что делает муравьиную кислоту реальным конкурентом спиртам в деле обеспечения энергией мобильных устройств.

Как известно, главное препятствие на пути к водородной энергетике - это проблема хранения газа. Для мобильных устройств лучше всего проработаны топливные элементы, в которых источником водорода является метиловый или этиловый спирт. Однако реакция, в процессе которой выделяется газ, идет при температуре в пару сотен градусов, что сильно усложняет конструкцию картриджа из-за необходимости теплоизоляции и съедает заметную долю запасенной в нем энергии.

В муравьиной кислоте (HCO2H) водорода по массе примерно втрое меньше, чем в спирте. Но зато химикам удалось найти реакцию, в которой в присутствии амина и доступного рутениевого фосфинного комплекса RuCl2(PPH3)2, являющегося катализатором, муравьиная кислота разлагается на водород и углекислый газ при комнатной температуре. При этом водород после реакции достаточно пропустить через простейший фильтр на активированном угле, после чего его сразу можно использовать в топливном элементе. Это сильно упрощает конструкцию картриджа.

Муравьиную кислоту легко хранить, она экологически безопасна. Однако если вас хоть раз кусал муравей, легко догадаться, что попадание муравьиной кислоты на кожу или ее паров в глаза или легкие крайне неприятно. Впрочем, метиловый спирт еще более коварный и сильный яд.