Vytvorenie laseru

Laser: Kvantová magia pre ľudí, aby pleli svetlo
V Mojavskej poušti v Kalifornii skupina astronómov smeruje laserové paprady priemerom 10 metrov do noci. Tento zelený paprad svetla nie je určený na súťaž so hviezdam, ale na to, aby umožnil teleskopom zachytiť jasnejší obraz vesmíru ako Hubbleov obraz mierou atmosférickych turbulentných javov. Podstata tohto papradu svetla je presne jednou z najväčších vynálezov 20. storočia - laserom. Jeho vznik nebol náhodný, ale absolútne spoločné úsilie, ktoré sa rozsiahlo cez dlhý tok mudrovi medzi fyzikmi, inžiniermi a materiálovými vedcami.
Prvý dejstvo: Zabudnutá „fantómova teória“
V roku 1917 vodiel Einstein v siedlište univerzity v Berlne sústav rovníc, ktoré predpovedali existenciu „indukovaného vyžehňovania“. Toto jav, potom známy ako „teoretický duch“, popisuje, ako fotony, podobne ako domina, spôsobia, že atómy uvoľnia „klóny“, ktoré ich dokonale replikujú. Avšak tento objav zostal nevypočutým skoro 30 rokov – pretože nikto nenašiel spôsob, ako donútiť atomovú armádu, aby kolективne „prešla na stranu“.
Až do jarienej noci v roku 1951 na univerzite v Columbii Charles Townes nemal žiadne zvláštne nápady. Sedel na lavičke v parku, kde sa mu narychlo objavil nápad: ak bombárnuje amóniakové molekuly elektromagnetickými vlnami určitej frekvencie, počet častíc vo vyššom energetickom stave môže prekročiť počet častíc v nižšom energetickom stave, tvoriac tak „energetickú hranu“. Toto jev, známy ako „inverzia počtu častíc“, sa podarilo dosiahnuť v mikrobach a vznikol prvý mikrob laser (Maser). Avšak vedecká komunita si uvedomila, že skrátanie vlnovej dĺžky o miliónkrát do oblasti viditeľného svetla spôsobí technologickú revolúciu.
Druhá scéna: Fotonová klesť v rúbine
V roku 1960 bol laboratóriu Theodora Maimana plné rubínových krystalov, ktoré iní vedci odsúdzovali na „smrť“. V tej dobe predpokladávala hlavná teória, že účinnosť prechodu energetických úrovni rubínov je príliš nízka, ale Maiman objavil, že chroomové iony za silného svetelného podnietenia prejdú jedinečným „triúrovňovým prechodom“. Obalil červený kameň spirálovitou xénovou lampou, ako by uväznil duhu bleskom. Nakoniec obklopil oboje konce krystalu striebnom, čím vytvoril „echovú stenu fotonov“.
V tomto zariadení, ktoré má len veľkosť tužky, sa fotóny pohybujú späť a forth rýchlosťou 300 miliónov krát za sekundu. Každýkrát, keď prejde cez polárnu štruktúru chroomových íonov, spôsobí novú stimulovanú emisiu a intenzita svetla sa zvyšuje exponenciálne. Keď sa lom s unikajúcimi fotónmi protriasol napolo průnikavou stříbrnou vrstvou, ľudia popri prvýkrát svedkami hlboko červenejho laseru s priestorovo-časovou koherenciou - jeho monochromaticita bola o 100 000-krát čistejšia ako slnečné svetlo a jeho uhliesť rozptylu bol iba jedna tisícina v porovnaní so svetelným reflektorom.
Akcia 3: Tanec svetla na nanometerovej úrovni
Laserová technológia v 21. storočí prekonalí obmedzenia makroskopických materiálov. V polovodičovom laboratóri inžinieri vyrostli kvantové priestorové štruktúry na substrátoch z galium arsenidu, ktoré sú len jedna desaťtisícka častiška ľudského vlasu pomocou technológie molekulárneho paprsku epitaxie. Keď cez tieto nanometerové medzipaprstky prechádza prúd, fotóny uvoľnené rekurziou elektrónov a dier v potenciálnom priereku sú presne zachytávané Braggovým reflektorom, čo vznikne miniatúrový laser s účinnosťou viac ako 90 %.

Ešte užasnejšie je dosiahnutie prelomu v "topologických laseroch": fotóny sa pohybujú po spirálovitej ceste na povrchu materiálu, ako by svetlonošné mravce behali po Möbiovej páse, úplne odolné voči rozptylujúcim stratám tradičných laserov. Táto štruktúra dokonca umožňuje prenos lasera bez strat v lomenom vodícem valcovnom valci, čo prináša revolúciu pre fotonické čipy.
Časť štvrtá: Magický lúč, ktorý prepíše realitu

Pobok rádia teleskopu "China Sky Eye" v Guizhou je nainštalovaný superprevodný nanoprvkový detektor jednotlivých fôtov, ktorý používa lasery na interpretáciu mikrovlnného pozadového zářenia vesmíru z vzdialenosti 13,7 miliardy svetelných rokov. Keď každý fôton dorazí, spôsobí kvantovú fázovú prechodu v superprevodnom materiáli, ktorá je zachytená laserovým interferometrom s signálnou zmenou jednej milióntinej nanosekundy.

V medicínskom sektore sa femtosekundové lasery transformovali na „stínové švábky“, vyfotografovaním mikronových čočiek na rohovke rýchlosťou tisíckrát rýchlejšou ako rýchlosť nervov, korigujuce zrak bez rušenia okolných tkanív. V roku 2023 vznikla „fotoakustická laserová terapia“: zlato-nanoprutky absorbovali blízkoinfrčervené lasery a vygenerovali lokálnu plazmovú rezonanciu, presne unášajúc rakovinné bunky bez poškodenia zdravých buniek.

Od Einsteinovho predpovedania po Maimanovom rúbinovom blesku, od laboratórnych divov po prnosťe začítačov, historický vývoj laserov je v podstate históriou ľudskej manipulácie s kvantovým stavom svetla.