Еще в 1954 году был изобретен квантовый генератор микроволнового излучения — мазер, являющийся своеобразным технологическим аналогом лазера. Несмотря на структурное сходство, широкое распространение мазеров ограничено необходимостью их эксплуатации при температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °C). Тем не менее, благодаря исследованиям ученых из Имперского колледжа и Университетского колледжа в Лондоне был разработан первый прототип мазера, способный функционировать в непрерывном режиме при комнатной температуре. Данное достижение создает условия для практического внедрения этой технологии в различные области науки и техники. “Мы надеемся, что наша работа позволит сделать мазеры столь же популярными, как и традиционные лазеры” – рассказывает доктор Джонатан Бриз (Dr Jonathan Breeze).
В 2012 году группа ученых продемонстрировала, что мазер, созданный на базе молекул органического соединения пентацена, способен работать при комнатной температуре, вырабатывая импульсы микроволнового излучения, длительностью в тысячные доли секунды. Любая попытка более длительной работы мазера приводила к плавлению его кристалла.
В качестве тела нового мазера ученые использовали алмаз, выращенный в обогащенной азотом атмосфере. В результате этого под воздействием фокусированного электронного луча множество атомов углерода в структуре синтетического алмаза были замещены атомами азота, формируя дефекты кристаллической решетки, известные под названием азотной вакансии. После этого алмаз был нагрет до высокой температуры, что позволило атомам азота и углерода сформировать пары, которые иногда используются в качестве кубитов в квантовых технологиях.
Кристалл обработанного синтетического алмаза был заключен внутри сапфирового кольца, которое выступало в роли концентратора энергии микроволновых волн, и освещен светом зеленого лазера. Проведенные эксперименты показали, что такой мазер способен работать при комнатной температуре сколь угодно долгое время.
Ученые, совершившие данное открытие, считают, что созданные ими мазеры уже очень скоро могут быть использованы в самых различных областях, включая рентгенографию, системы безопасности аэропортов, в радиоастрономии и в системах дальней космической связи. Помимо этого, мазеры могут быть использованы в технологиях квантовых вычислений, обеспечивая управление состоянием и считывание информации, хранящейся в квантовых битах, кубитах.
Для любознательных
Когда речь заходит о мазерах, стабильно работающих при комнатной температуре (а не требующих криогенного охлаждения), тут в последние годы лидируют зарубежные команды. Вот ключевые примеры.
- Великобритания. Одна из самых заметных серий работ — у исследователей из Имперского колледжа Лондона. В 2012 году группа под руководством Марка Оксбороу из Национальной физической лаборатории (Тэддингтон) представила твердотельный мазер на органических кристаллах (пентацен и p-терфенил), который работал при комнатной температуре. Позже, в 2018 году, тот же коллектив (в том числе Джонатан Бриз) пошёл дальше: они добились непрерывного излучения. В их установке использовали синтетический алмаз с NV-центрами (дефекты: «дырка» в решётке алмаза, где вместо углерода вставлен атом азота).
- Другие международные команды. В 2025 году появилась ещё одна интересная разработка: инженеры из Университета Нортумбрии, Института Оптики Париж-Сакле и Имперского колледжа Лондона создали твердотельный мазер, который к тому же питался от обычных светодиодов. Он стабильно усиливал сигнал на частоте 1,45 ГГц (это радиодиапазон, полезный для спутниковых и медицинских систем).
А как в России?
Прямо сейчас в российских научных центрах (ФИАН, ИПФ РАН, ИТМО, Сколтех, МФТИ) активно исследуют квантовые эффекты, в том числе в микроволновом диапазоне, и работают над квантовыми сенсорами. Но публичных анонсов о создании и демонстрации именно мазера, стабильно работающего при комнатной температуре, от российских групп пока не было. Фокус сейчас скорее на смежных задачах: изучении материалов, которые в перспективе могут стать основой для таких устройств, или на применении квантовых эффектов в других областях (квантовая память, сенсоры).
Зачем это нужно?
Такие мазеры потенциально пригодятся там, где критично не иметь громоздкой и энергоёмкой системы охлаждения: в компактных системах космической связи, в радиолокации, в высокоточных сенсорах или в некоторых задачах квантовых вычислений.
Так что поле активное: учёные ищут новые материалы (органические кристаллы, дефекты в алмазах, другие структуры), которые позволят сделать такие мазеры ещё более стабильными, компактными и пригодными для реального применения.
