Oblika lasera

Laser: Kvantna magija za ljudi, da plešemo s svetlobo
V pustinji Mojave v Kaliforniji skupina astronomov posreduje laserne zrake premera 10 metrov v nočno nebo. Ta zeleni svetlobni žarek ni namenjen tekmu z zvezdami, temveč omogoča teleskopom, da pridobijo jasnejše slike vesolja kot slike Hubbleovega teleskopa z merjenjem atmosferske turbulentnosti. Bitka tega žarka je natančno ena od največjih izumov 20. stoletja – laser. Njegova rojstvo ni bilo slučajno, temveč končni rezultat sodelovanja med fiziki, inženirji in raziskovalci materialov v dolgem toku človeške mudrosti.
Prvi del: Pozabljena 'fantomska teorija'
V letu 1917 je Einstein v svojem kabinetu na Univerzi v Berlinu izpeljal množico enačb, ki so napovedovale obstoj "spodbudene emisije". To pojav, ki je takrat bil znan kot "teoretični pes", opisuje, kako fotoni, podobno kot dominove kocke, spodbujajo atome, da izpustijo "klone", ki se popolnoma same sebe replikirajo. Vendar je ta odkritje ostalo tiho skoraj 30 let - ker ni bilo nikomur mogoče najti načina, kako poskusiti, da se atomska armada zbirno skupaj "premika".
Ni bilo do letne noči leta 1951, ko je Charles Towns s Columbijske univerze imel na parkovni kavi sudden dosežek: z valovanji določene frekvenčne elektromagnetne valovanja bombardevanje amonijaka molekul bi lahko povečalo število delcev v visokourejenju nad tistimi v nizkih urejenjih, tvoril pa "urejenje kačenja". To pojav, imenovan kot "obratovanje števila delcev", je končno bil dosežen v mikrovalnih frekvencah, kar je privedlo do prvega mikrovalnega lasra (Maser). Vendar pa je znanstvena skupnost kmalu ugotovila, da kratica valovne dolžine milijonkrat v območje vidne luči bi izpeljal tehnološko revolucijo.
Drugi del: Fotonska klepa v rubezu
V letu 1960 je bil Theodore Maimanov laboratorij poln rubejnih kristalov, ki jih drugi znanstveniki obsojali na "smrt". V tem času je glavna teorija pravila, da je učinkovitost prehoda energijskih ravni pri rubeh premajhna, vendar je Maiman odkril, da se kromskiioni pod močno svetlobno izboljšavo izognijo edinstvenemu "tri-ravnskemu prehodu". Obtožil je rdeči žogov stolpec s spiralnim xenonovim lampico, kot da bi obvezal duhovišče z molnjo. Končno je na obeh straneh krystalnih plošč dodal srebro, da bi ustvaril "odbojni zid fotonov".
V tem pripomočku, ki je velikosti samostana, potujejo fotonu naprej in nazaj z hitrostjo 300 milijonov krat na sekundo. Vsakič, ko preletijo skozi polje hromovih ionov, se sproži nova stimulirana žarkovanja, pri čemer se intenziteta svetlobe povečuje eksponentno. Ko je tok izhajajočih fotonov prekinil polprivzorno srebrno plenico, so ljudje popačili prvič globoko rdeč laser s prostorsko-časovno koherenco – njegova enobarvnost je bila 100.000-krat čistejša kot tista sončnega svetloba, njegov odstopni kot pa le en tisočin tistega razgledne luči.
Del 3: Ples svetlobe na nanoskali
Laserjska tehnologija v 21. stoletju je presegla omejitve makroskopskih materialov. V polprevodniški laboratoriji so inženirji z uporabo tehnologije molekularnega snopnega epitaksija rastili kvantne ploskovne strukture na substratih iz galijevog arsenida, ki so le ena desetitisočina človeške lasice debele. Ko skozi te nanoskopske medplasti protiče tok, so foton, ki jih sproža ponovna združitev elektronov in delcev v potencialni cekastini, natančno zajeti s Braggovim reflektorjem, tvorijo pa miniaturni laser z učinkovitostjo prek 90%.

Še bolj zvrstno je dosežek v "topoloških laserjih": fotoni se gibljejo po spirali na površini materiala, kot bi bili svetlični muhovi, ki tečajo po Möbiusovem traku, popolnoma imuni za razsevanje izgube tradicionalnih laserjev. Ta struktura omogoča, da se laser brez izgube prenosi celo v valovodi, ki so zaviti v črpalo, kar prinese revolucijo na področju fotonskih čipov.
Četrti dejanje: Čarovno žarko, ki prepisuje resnico

Ob "Kitajskem nebeskem oku" radioteleskopu v Gviceju je nameščen superhodnikovski nanoprovodniški detektor enotnih fotonov, ki z laserji interpretira kozmično mikrovalovno ozadinsko sevanje iz 13,7 milijard let oddaljenega vesolja. Ko pride vsak foton, sproži kvantni fazni prehod v superhodnikovem materialu, katerega pospremico zazna laserjski interferometer z spremembo signala v eni milijardišini nanosekunde.

V zdravstvenem sektorju so femtosekundne lasere preoblikovale v "sen brez nožev", ki izsevajo lence velikosti mikrona na korneji ob močnejšem hitrostnem delovanju od tisočkratne hitrosti neuronov, popravljajoče vid brez motnje okoliščih teživ. Leta 2023 je prišel "fotakozični laser terapijski postopek": zlatega nanoprotuncev absorbirajo blizuinfračrveno lasersevanje za generiranje lokalne plazme in natančno uničevanje raka brez škode zdravim celicam.

Od Einsteinskega napovedovanja do Maimanove rubežne vsebine, od laboratorijskih čudežev do ročnih naprav, zgodovina razvoja laserjev je v bistvu zgodovina ljudskega upravljanja s kvantnim stanjem svetlobe.