Sotilaspiirien vanha haave gammalaser voi ehkä toteutua | Tekniikkatalous
Sotilaspiirien vanha haave gammalaser voi ehkä toteutua
Raili Leino, 5.5.2011 07:11
Andrea Pacelli / Creative Commons
Gammalaser lähettää valoa atomin ytimestä. Meidän näkemämme valo syntyy atomin elektroniverhossa.
Tutkijoiden haaveissa on pitkään ollut graser eli ydinlaser, jonka valo syntyy elektroniverhon sijasta atomin ytimesssä. Graseria ei ole vielä toteutettu, mutta venäläistutkijat ovat päässeet askelen eteenpäin.
Moskovan valtionyliopiston ydinfysiikan instituutin tutkija Jevgeni Tkalja on osoittanut teoreettisesti, miten toriumytimistä saadaan aikaan stimuloitu gammaemissio, jonka tuloksena on koherenttia näkyvää valoa.
Gammalaser on militääripiirien vanha haave, koska gammasäteily on erittäin lyhytaaltoista, läpitunkevaa ja energeettistä. Tähän asti sitä on kuitenkin pidetty mahdottomana toteuttaa.
Tkaljan ajatusten kohteena oleva graser lähettäisi näkyvää valoa, jota ei voi erottaa normaalista laservalosta. Ydinlaservalo kuitenkin syntyy eri tavalla kuin tavallinen valo, joka on lähtöisin atomien elektroniverhosta. Laserissa atomien elektronien viritystilat purkautuvat koherentisti, mutta graservalo syntyy atomin ytimen protonien ja neutronien viritystilojen purkautuessa.
Physical Review Letters -lehdessä julkaistu tutkimus paljastaa, miten gammalaserin ehkä voi rakentaa. Sen mahdollistavat toriumytimen rakenteen erityispiirteet.
Näkyvän valon ydinlaser voisi auttaa tekemään entistä tarkempia kelloja. Atomikellon sijasta ajan mittaamisen huippu olisi ydinkello. Sen avulla voitaisiin testata, pysyvätkö luonnonvakiot todella vakioina vai muuttuvatko ne pitkien aikojen kuluessa. Sovelluksia voisi olla myös informaatioteknologiassa.
Fysiikan kannalta gammalaserin eli graserin kehittämisessä on ollut kaksi suurta haastetta. On löydettävä viritystila, jonka voi tehokkaasti virittää laboratoriossa. Viritystilan avulla on voitava luoda niin sanottu populaatio-inversio, jossa virittyneitä ytimiä on enemmän kuin virittymättömiä.
Tkaljan mukaan graser on helpompi toteuttaa näkyvän valon kuin gammasäteiden aallonpituudella.
Laseroiva tai ”graseroiva” aine on litium-kalsium-alumiiniheksafluoridia (LiCaAlF6), missä osa kalsiumatomeista on korvattu toriumilla.
Toriumytimellä on 10 elektronivoltin siirtymä perustilalta viritystilalle, mutta samaa energiaa ei löydy sen elektroniverhossa tapahtuvista siirtymistä. Kymmenen elektronivoltin energiaa vastaava fotoni voi silloin päästä elektroniverhon läpi ja vuorovaikuttaa suoraan ytimen kanssa.
Populaatio-inversion luomiseen Tkalja käyttää tekniikkaa, joka on tuttu jo peruslasereista. Ytimen perustilan ja viritystilan lisäksi tarvitaan vielä kolmas energiataso. Se tapahtuu joko äärimmäisen voimakkaalla magneettikentällä tai sähkökentän gradientilla. Silloin tutkijat voisivat pilkkoa ytimen perustilan useaksi toisiaan hyvin lähellä olevaksi energiatilaksi.
Tarvittava magneettikentän voimakkuus on sata teslaa, mikä on tekniikan äärirajalla. Sellainen voidaan hetkittäin saada aikaan Los Alamosin laboratoriossa New Mexicossa.
Riittävän voimakas magneettikenttä pilkkoo ytimen perustilan useaksi toisiaan hyvin lähellä olevaksi energiatilaksi.
Normaalisti näistä energiatiloista on käytössä vain alin, sillä viritetty ydin purkautuu nopeasti takaisin perustilalle. Jokin perustilaa hyvin lähellä olevista viritystiloista voi kuitenkin toimia graserin lähtötilana.
Tkalja suunnittelee, että toriumytimet pumpataan ultraviolettilaserin avulla erityisen pitkäikäiselle viritystilalle. Silloin on mahdollista nostaa varsinaiselle viritystilalle enemmän ytimiä kuin lähtötasona toimivalle melkein-perustilalle. Tällöin ytimet saattavat graseroida eli lähettää koherenttia näkyvää valoa.
Ytimen täytyy vielä lähettää säteily rekyylittömästi, koska merkittävä rekyyli muuttaa fotonin taajuutta eikä se voi stimuloida muissa ytimissä emissiota.
Tkalja uskoo, että ongelman voi ratkaista Mössbauerin ilmiön avulla. Kiinteässä aineessa olevassa ytimessä ei esiinny rekyyliä, vaan koko atomihila kimmahtaa pikkuriikkisen määrän, jolloin fotonin taajuus pysyy muuttumattomana.