Таунс и первый мазер

Таунс и первый мазер

Между тем была выполнена наиболее известная работа, в которой было создано работающее устройство. Эта работа была проведена в Колумбийском университете, в котором проводились значительные исследования в области радиоспектроскопии, поддержанные дальновидным сотрудничеством с военными организациями. Результатом группы исследователей, возглавляемой Ч. Таунсом, стало создание и запуск первого мазера. Чарльз Таунс родился в 1915 г. в Гринвилле, Южная Каролина (США). В возрасте всего лишь 16 лет он поступил в университет. Хотя он вскоре обнаружил свое пристрастие к физике, также изучал греческий, латинский, англо-саксонский, французский и немецкий языки и получил степень бакалавра по современным языкам после 3-летнего обучения в университете. В 4-й год он получил и степень по физике. Затем он преподавал и в возрасте 21 года закончил работу над диссертацией, продолжая изучать французский, русский и итальянский языки. Затем он поступил в Калифорнийский технологический институт, где в 1939 г. получил докторскую степень и получил назначение в Bell Telephone Laboratories. Во время войны работал над проектом радара для бомбардировщиков. Хотя Таунс предпочитал теоретическую физику, он тем не менее работал над этим практическим проектом

В то время старались увеличить рабочую частоту радаров. Военно-воздушные силы просили спроектировать радар с частотой 2400 МГц. Такой радар работал бы в неосвоенном диапазоне и обещал более точное бомбометание.

Однако Таунс, прочитав неопубликованный меморандум ван Флека по теории поглощения в водяных парах, отметил, что излучение на такой частоте сильно поглощается водяными парами. Тем не менее военные заказчики настаивали попробовать это. Итак, Таунс построил такой радар и убедился, что он не работает. В результате этой работы Таунс стал интересоваться микроволновой спектроскопией (радиоспектроскопия).

В 1947 г. Исидор Раби предложил Таунсу перейти из Bell Labs в Колумбийский университет для работы в его группе. Эта группа продолжала исследования программы военных лет по магнетронам для генерации миллиметровых волн, и эти исследования поддерживались военными. Таунс быстро стал авторитетом в области радиоспектроскопии и в использовании микроволн для изучения свойств веществ. В эти годы Таунс интересовался созданием атомных часов с использованием поглощения микроволн в аммиаке для стабилизации частоты.

В 1950 г. он стал профессором физики. В это же время военные организовали специальный исследовательский комитет по изучению миллиметровых волн и предложили Таунсу быть председателем. Таунс проработал на этом посту почти два года и не был удовлетворен его деятельностью. В один из дней, когда он был по делам комитета в Вашингтоне, как он вспоминал:

«По совпадению, я был в номере отеля с моим другом и коллегой Артуром Шавловым, который позднее занялся лазером. Я проснулся рано и, чтобы не беспокоить его, вышел, сел на скамейку в парке и стал ломать голову над тем, почему мы терпим неудачи (в создании генератора миллиметровых волн). Было ясно, что требуется найти способ сделать очень маленький, прецизионный резонатор с возможностью связать энергию, заключенную в нем, с электромагнитным полем. Но это наводило на мысль о молекуле, а техническая трудность создания такого маленького резонатора и обеспечения его энергией означала, что надо найти способ использовать молекулы! Пожалуй, свежий утренний воздух побудил меня внезапно увидеть, как это можно сделать. За несколько минут я набросал схему и рассчитал требования к молекулярно-пучковой системе, с помощью которой можно отделить молекулы с высокой энергией от молекул с низкой энергией, и затем пропустить их через резонатор, в котором заключено электромагнитное излучение, стимулирующее дальнейшее излучение от молекул. Тем самым обеспечивалась обратная связь и непрерывная генерация»[5].

Он думал, что был малый шанс на успех, и не говорил об этом никому на собрании комитета. Осенью 1951 г., в Колумбии, к нему обратился Джеймс Гордон за темой для своей диссертации. К проекту, связанному с темой диссертации Гордона, Таунс попросил присоединиться Херба Цайгера, поскольку Таунс понимал, что будет полезным участие эксперта по молекулярным пучкам, который уже закончил диссертацию. Обучение и работа Цайгера в Колумбийском университете финансировалось корпорацией Юнион Карбайд. Двумя годами до начала работы над мазером, один сотрудник компании, обладающий пророческим даром, уговорил руководство дать 10 000 $ тому, кто сможет установить, как получить интенсивное ИК-излучение, с целью выяснить возможности использования этого излучения для иницирования специфических химических реакций. Несмотря на то, что Таунс настаивал, что он не знает, как это сделать, хотя это и очень интересно, корпорация предоставила ему деньги для оплаты ассистентов (пост-доков). Это дало возможность для работы Шавлова и Цайгера в годы перед запуском мазера. Таким образом, Цайгер присоединился к проекту, предложенному Таунсом.

В конструкции Таунса резонатор был очень важен. Действительно, требовалось удерживать в нем электромагнитную энергию как можно большее время для взаимодействия с молекулами (т.е. потери в нем должны быть минимальными). Детальные расчеты, сделанные осенью 1951 г., показали, что очень трудно сделать резонатор для длин волн в половину миллиметра, как первоначально полагал Таунс, надеясь использовать дейтерированный аммиак. Поэтому он решил сосредоточить свое внимание на излучении с длиной волны 1,25 см обычного аммиака, поскольку для такой длины волны уже существовали компоненты (резонатор), требуемые для успеха. Это решение означало, переключить проект с цели добиться успеха в области миллиметровых волн на демонстрацию нового принципа генерации в уже известной спектральной области.

Основная идея представляется очень простой, теперь, когда мы подготовлены к ней и можно только удивляться, почему никто не додумался до этого прежде. Если мы рассматриваем системы с двумя энергетическими уровнями, как это делал Вебер, то мы знаем, что мощность, излучаемая за счет вынужденного излучения, пропорциональна числу частиц n₂ в верхнем состоянии, а поглощенная мощность пропорциональна числу частиц n₂ в нижнем состоянии. Итоговая мощность, которая является разностью поглощенной и испущенной мощности, как мы видели, пропорциональна разности n₁ — n₂. При термическом равновесии, n₁ всегда больше, чем n₂ и, поэтому поглощенная мощность всегда больше, чем испущенная мощность. Но давайте рассмотрим, что случиться, если мы каким-нибудь способом отберем частицы так, что отправим в одну сторону только те, которые находятся в верхнем состоянии. Теперь число n₂ будет больше, чем n₁ и поэтому испускаемая мощность станет больше, чем поглощенная мощность. Таким образом, мы получаем устройство, способное испускать излучение с частотой, соответствующей разности энергий между двумя уровнями. Это устройство является генератором, и над ним-то и размышлял Таунс.

Активным веществом, которое предусматривал Таунс, был газ аммиак. Согласно классической картине, молекула аммиака (состоящая из одного атома азота и трех атомов водорода, NH₃) представляет треугольную пирамиду (рис. 41, а) с тремя атомами водорода в углах основания и атомом азота на вершине. Эти три атома водорода можно рассматривать лежащими в одной плоскости, а атом азота лежащим в другой плоскости, которая выше или ниже, чем плоскость атомов водорода. Потенциальная энергия атома азота в зависимости от его расстояния от плоскости атомов водорода показана на рис 41, б. Квантовая механика показывает, что соответствующая кривая имеет минимум по обе стороны от этой плоскости с потенциальным барьером, имеющим максимум в плоскости водородных атомов. Атом азота может колебаться вдоль оси, перпендикулярной этой плоскости, и может переходить из положения вверху плоскости в положение ниже ее, и обратно. Такой переход обозначается как инверсия. Кроме того, молекула вращается вокруг взаимно перпендикулярных осей. Согласно квантовой механике, все колебательные и вращательные движения квантованы, и поэтому их энергии представляются дискретными энергетическими уровнями, как показано на рис. 41, б.

Рис. 41. Пирамидальная структура молекулы аммиака (а). Потенциальная энергия атома азота как функция его расстояния от плоскости атомов водорода (б)

Гордон, Цайгер и Таунс, после некоторой модификации их идеи, решили наблюдать переход между нижней колебательной парой во вращательном состоянии с тремя числами углового момента около каждой из осей, который обозначается 3-3 состояние. Этому переходу соответствует частота 23 830 МГц.

Идея Таунса заключалась в том, чтобы получить некоторым способом пучок молекул, например нагревом, а затем отделить тех, которые в возбужденном состоянии, от тех, которые на нижнем состоянии. Это можно было сделать, учитывая интересное свойство молекулы: при приложении электрического поля молекула деформируется и возникает малый дипольный момент для обоих чисел вращательной пары, но противоположного знака. Если электрическое поле неоднородно, получается тот же эффект, который наблюдался Штерном и Герлахом, и на молекулу будет действовать сила с противоположным направлением для каждого числа пары. Проект предусматривал использовать сильное электростатическое неоднородное поле, действующее на пучок молекул аммиака, и сфокусировать возбужденные молекулы этого пучка в малое отверстие полости резонатора, настроенного точно на 23 830 МГц.

В 1950-е гг. Вольфганг Поль (1913-1993) вместе с Хельмутом Фридбургом и Гансом Беневитцем спроектировали специальные электрические и магнитные линзы (квадрупольные) для фокусирования атомных и молекулярных пучков. Таунс думал об использовании таких линз для разделения молекул. Поля таких линз и были использованы в аммиачном мазере и в водородном мазере. Позднее Поль разработал трехмерную версию, способную удерживать ионы в малой области (ловушка Поля). С помощью этого устройства можно исследовать одиночные атомы, что было невозможно раньше. За это Поль был награжден в 1989 г. Нобелевской премией по физике вместе с Н. Рамси и Гансом Демельтом, которые также построили подобную ловушку, но другой конструкции.

Таунс надеялся отселектировать в пучке больше молекул, находящихся в верхнем состоянии, от молекул в основном состоянии. Этим способом он мог бы реализовать то, что мы называем инверсией населенности, и каждая молекула, переходя в нижнее состояние с испусканием кванта, могла бы заставить другие молекулы делать то же самое. В результате резонатор мог бы испускать излучение на частоте около 24 000 МГц. Таунс четко понимал необходимость резонатора, который связывает излучение с возбужденной средой.

Таунс осознавал свою ответственность, в частности, перед Гордоном, который выполнял работу своей докторской диссертации в рамках проекта, результат которого не гарантировался. «Я не уверен, что работа получится, но даже в этом случае мы сможем сделать другие вещи», — в результате Таунс пообещал Гордону, что даже если метод не сработает, он сможет использовать установку для исследований спектров микроволнового поглощения аммиака. Таким образом, Гордон работал в двух направлениях. Он мог изучить сверхтонкую структуру аммиака (разделение энергетических состояний на многие подуровни из-за взаимодействия между электроном и ядром) с большей точностью, чем это удавалось прежде.

Достижения в работе были описаны в квартальных отчетах Факультета и содержали некоторые данные, интересные для тех, кто занимался физикой микроволн. Первая публикация с упоминанием этого мазерного проекта появилась в сообщении Цайгера и Гордона 31 декабря 1951 г., которое было озаглавлено «Молекулярный Пучковый Генератор». В нем сообщались предварительные расчеты основных элементов этого генератора.

В течение двух лет группа Таунса продолжала работать. За это временя, два друга Таунса приходили в лабораторию и старались уговорить его бросить эту чепуху и прекратить тратить казенные деньги (Таунс уже потратил 30 000 $, предоставленных военными).

Наконец, в один из дней апреля 1953 г., Джеймс Гордон вбежал на спектроскопический семинар, который проводил Таунс, с криком: он работает! История говорит, что Таунс, Гордон и другие студенты (Цайгер к этому времени оставил Колумбию и перешел в Линкольновскую лабораторию и его заменил Т. Ванг) отправились в ресторан, чтобы отметить событие и придумать для нового устройства латинское или греческое название (последнее без успеха). Только несколько дней спустя они с помощью некоторых студентов придумали аббревиатуру МАЗЕР — усиление микроволн с помощью стимулированного излучения (MASER — Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation). Это название появилось в заголовке работы, опубликованной в Physical Review, но недоброжелатели расшифровывали это, как «способы получения поддержки для дорогостоящих исследований» {Means of Acquiring Support for Expensive Research)

Блок-схема аппаратуры показана на рис. 42. Через отверстие в маленькой печи с точно поддерживаемой температурой вылетает пучок молекул аммиака. В этом пучке содержатся молекулы, находящиеся как в нижнем, так и в верхнем энергетическом состоянии, причем, что вполне естественно, в нижнем состоянии находится несколько больше молекул. Пучок проходит через систему электродов фокусирующей системы. Эти электроды создают сильное неоднородное электрическое поле, которое разделяет молекулы. Их действие заключается в том, что молекулы в верхнем состоянии продолжают двигаться, прижимаясь к оси системы, а молекулы в нижнем состоянии выталкиваются от этой оси. Такая конструкция позволяет не только разделить молекулы по состояниям, но и несколько сфокусировать молекулы в верхнем состоянии в хорошо коллимированный пучок. Этот пучок входит в объемный резонатор, точно настроенный на частоту перехода аммиака, т.е. на 23 830 МГц. Если в резонатор входит достаточное число молекул в верхнем состоянии, возникает непрерывная генерация, которую можно вывести из резонатора обычной радиочастотной техникой. С другой стороны, система может быть в условиях, когда число молекул недостаточно, чтобы поддержать генерацию, но достаточно, чтобы усиливать внешний сигнал. В этом случае устройство работает как усилитель, разумеется, на той же частоте. Вся система помещается в кожух (не показан на рис.), в котором поддерживается высокий вакуум, нужный для того, чтобы предотвратить столкновения молекул аммиака с молекулами воздуха, что могло бы привести к потере энергии возбуждении в результате обмена энергией. Разумеется, реальная система не столь проста, как показано на рис. 42.

Рис. 42. Схема аммиачного мазера

Принципиальной характеристикой мазера является крайне низкий уровень шумов как в режиме генерации, так и в режиме усиления. Это означает, что сигнал очень чистый и ясный, и все фотоны испускаются когерентно. Лишь очень малое число фотонов испускается хаотически в результате спонтанного, а не вынужденного излучения. Во многих электронных устройствах шумы возникают из-за флуктуации числа электронов, которые создают электрический ток. Эти флуктуации пропорциональны температуре и не зависят от конкретного устройства. Поэтому у инженеров принято характеризовать шумы устройств, относя их к шумам эквивалентной температуры, т.е. температуре, при которой через электрическое сопротивление протекает столько электронов, сколько нужно, чтобы получить наблюдаемые флуктуации. В то время, как для сопротивления обычной цепи температура шума практически является комнатной (т.е. 300 К), для мазера эквивалентная температура шумов очень низкая, порядка нескольких К.

Таунс сразу же понял, что одним из важных применений мазеров на молекулярных пучках должна быть молекулярная спектроскопия. Молекулярные пучки уже в начале 1950-х гг. рассматривались спектроскопистами, изучающими газы. Однако была проблема. Специфика получения молекулярного пучка приводит к малой плотности молекул в ячейке спектрометра. Кроме того, молекулы в пучке находятся в термическом равновесии или близко к нему, а это значит, что процессы поглощения и излучения по отношению внешнего излучения почти равные. Следовательно, сигнал поглощения будет слабым, поскольку число молекул в нижнем состоянии лишь слегка превосходит число молекул в верхнем состоянии. В пучке, который получал Таунс, все молекулы селектировались по их энергетическим состояниям. Это приводит к тому, что сигнал увеличивается в сто раз. Это позволяло Гордону использовать принцип мазера для спектроскопических исследований.

Мощность первого мазера составляла только 0,01 мкВт. Это очень мало, но испускалась очень узкая линия. Чтобы определить, насколько чиста испускаемая частота, Таунс и его группа построили второй мазер, чтобы сравнить частоты, испускаемые двумя независимыми мазерами. В начале 1955 г. они установили, что в течение одной секунды частоты различались только на 4 части от 10^—12, за больший интервал около 1 часа частоты различались лишь в пределах нескольких частей на 10^—10.

Эти результаты заставляли предполагать, что мазер является оптимальным кандидатом на роль прецизионного стандарта частоты и для создания атомных часов. Исследования мазеров стали распространяться среди других лабораторий в университетах, государственных учреждениях и промышленности. Последние были под влиянием военных целей. Однако было только около десятка групп с малым числом исследователей и со скромной поддержкой.