Quando nel 1927 Alexei Tolstoj completò il lavoro sul suo nuovo romanzo "L'iperboloide dell'ingegnere Garin", pensò a malapena che sarebbe mai stato chiamato l'autore dell'idea laser e il visionario che predisse l'emergere di una nuova disciplina scientifica e tecnica: la fotonica. Ma in una cosa, la sua lungimiranza si è rivelata essere al cento per cento: gli "iperboloidi" capovolgeranno davvero il mondo.
FASCIO QUANTISTICO
Per la prima volta, i raggi "di calore", che bruciano tutto ciò che lo circonda, furono descritti da HG Wells nel romanzo "La guerra dei mondi", pubblicato nel 1898. L'idea sembrava produttiva: i raggi ipotetici iniziarono a essere discussi da scrittori di fantascienza, giornalisti e persino scienziati autorevoli. Ad esempio, il famoso inventore Nikola Tesla affermò che stava lavorando ai "raggi della morte" (li chiamava Teleforce), che erano un "fascio concentrato di particelle" e che, secondo il suo piano, avrebbe dovuto fermare tutte le guerre, poiché non vi è alcuna difesa contro di loro. Ahimè, ma i "raggi della morte" della pace erano, a quanto pare, da quelle invenzioni di Tesla, che non è riuscito a riportare in vita.
Il vero modo per creare raggi ad alta energia fu indicato da Albert Einstein, che nel 1916 avanzò un'ipotesi sull'esistenza di radiazioni stimolate. Ha detto che è davvero possibile portare gli atomi di qualsiasi oggetto in uno stato eccitato, dopodiché inizierà attivamente a emettere fotoni e nell'intervallo di spettro richiesto. Successivamente, Paul Dirac ha convalidato l'ipotesi di Einstein nel quadro della meccanica quantistica e la conferma sperimentale dell'esistenza della radiazione stimolata è stata ottenuta nel 1928.
Tuttavia, la comparsa dei primi dispositivi in grado di emettere un raggio direzionale ad alta energia ha dovuto attendere. La priorità in quest'area appartiene al fisico americano Theodore Maiman. Il 16 maggio 1960 dimostrò ai colleghi il lavoro del primo laser, un generatore quantistico ottico, che prese il nome dall'abbreviazione LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Come mezzo attivo (cioè un oggetto in uno stato eccitato), Maiman ha utilizzato un cristallo di rubino artificiale, che è stato irradiato con una lampada a scarica di gas ed ha emesso un flusso luminoso strettamente diretto. Successivamente, il fisico ha fondato la propria azienda, Corad Corporation, che è diventata uno dei principali sviluppatori di laser ad alta potenza.
IL FUTURO DEI LASER
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È difficile immaginare il mondo moderno senza laser. Sono usati quasi ovunque. La capacità dei laser di creare un flusso di energia ad alta potenza consente loro di essere utilizzati nell'industria: per il taglio, la saldatura, la saldatura, la marcatura e l'incisione. Poiché il raggio può essere focalizzato su un punto delle dimensioni di un micron, è ideale per realizzare circuiti stampati e connessioni di semiconduttori. La precisa direzionalità del fascio consente di realizzare dispositivi di lettura e apparecchiature medicali. Eccetera.
Sono stati fatti tentativi per costruire armi a raggi. Ad esempio, gli ingegneri militari statunitensi hanno progettato il sistema laser SHEL per essere utilizzato su un aereo speciale Boeing 747 YAL-1. È stato progettato per abbattere i missili balistici nemici. Per il progetto sono stati spesi più di 5 miliardi di dollari e durante i test, svoltisi nel febbraio 2010, il laser ha persino abbattuto tre missili bersaglio. Tuttavia, a causa della discrepanza tra le caratteristiche effettive e quelle dichiarate, il progetto è stato chiuso.
Tuttavia, i laser da combattimento possono essere usati per scopi pacifici. Sulla base di un complesso automobilistico per la lotta contro i missili, costruito in epoca sovietica, dagli sforzi degli specialisti dell'Istituto Troitsk per la ricerca innovativa e sulla fusione, è stata progettata un'installazione laser al carbonio MLTK-50. Ha mostrato ottimi risultati nello spegnimento di un incendio in un pozzo di gas a Karachaevsk, rompendo un ammasso roccioso, decontaminando la superficie del calcestruzzo in una centrale nucleare staccando e bruciando un film d'olio sulla superficie dell'acqua. Inoltre, sulla sua base, si prevede di creare laser per il ripristino delle superfici di sfregamento di varie unità industriali e anche per la distruzione di insetti nocivi come le cavallette.
FONDAMENTI DI FOTONICA
È chiaro che le tecnologie laser si svilupperanno ulteriormente. Le aree più promettenti del loro utilizzo sono gli schermi olografici, l'ingegneria energetica termonucleare, i sistemi di ricerca dei veicoli interplanetari. Ma relativamente di recente, nella scienza applicata è apparsa una direzione che può rivoluzionare l'intera base elettronica moderna. Stiamo parlando di fotonica, che è impegnata nella ricerca fondamentale e pratica nel campo dell'utilizzo dei segnali ottici. In effetti, è analogo all'elettronica, al posto degli elettroni vengono utilizzati solo i fotoni emessi dai laser.
È interessante che la fotonica sia "nata" presso l'Università statale di Leningrado: nel 1970 vi fu persino istituito un dipartimento corrispondente e l'accademico sovietico Alexander Nikolaevich Terenin ne divenne il fondatore. Da quel momento iniziò a svilupparsi la scuola scientifica, che portò il nostro Paese ai leader della fotonica. Il dispositivo più famoso sviluppato sulla base dei suoi principi sono i cavi in fibra ottica, che hanno notevolmente aumentato il throughput dei canali di informazione.
Oggi, il lavoro principale sulla fotonica viene svolto nelle università russe e nella Fondazione per la ricerca avanzata; in totale sono impiegate oltre 850 organizzazioni. Ad esempio, è stato avviato un progetto per ammodernare le strutture radar a disposizione del nostro esercito. Il passaggio da una base elettronica a una fotonica consentirà di ridurre le dimensioni delle stazioni radar (un edificio multipiano si trasformerà in un piccolo furgone) e di aumentarne l'efficienza (aumenterà la risoluzione e la resistenza alle interferenze elettromagnetiche). È interessante notare che gli sviluppatori pensano immediatamente all'applicazione civile di questa tecnologia: i radar compatti possono essere utilizzati nei treni e nelle auto ad alta velocità per il rilevamento istantaneo degli ostacoli. Inoltre, la tecnologia sarà utilizzata per creare skin per aerei "intelligenti", grazie alla quale l'intera fusoliera si trasformerà in un potente radarconsentendo ai piloti di vedere tutto ciò che accade intorno al loro "fianco" durante il volo.
MONDO PHOTON
La fotonica si sta sviluppando in diverse direzioni. I più giovani sono l'optoinformatica e la radiofotonica. Il loro scopo deriva dal nome: sono destinati a sostituire le tecnologie informatiche e di rete esistenti. Per mostrare i vantaggi che la fotonica offre in quest'area, è sufficiente menzionare che lo switch fotonico ultraveloce creato presso l'Università statale di Mosca consente di aumentare la velocità di trasferimento delle informazioni su cavi in fibra ottica a centinaia di terabit al secondo (il limite per i cavi moderni è di cento terabit al secondo). L'emergere delle comunicazioni fotoniche, che sostituiranno quelle classiche, consente inoltre di dimezzare il consumo di energia e, di conseguenza, il costo dei sistemi di archiviazione e archiviazione dei dati. Ad esempio, negli Stati Uniti, i data center consumano già il 2% di tutta l'energia prodotta,e il risparmio nella transizione ai fotoni sarà molto significativo.
La sfida per il prossimo futuro è la creazione di un computer fotonico, che si ritiene superi in modo significativo i sistemi a semiconduttori in termini di prestazioni. La sua connessione con comunicazioni ottiche ad alta velocità e superfici sensibili alla luce apre la strada all'emergere di dispositivi intelligenti di un tipo fondamentalmente nuovo: in miniatura e mobili, ma allo stesso tempo in possesso della capacità di elaborare informazioni non codificate e autoapprendimento. È molto probabile che sia dalla fotonica che un giorno nascerà un'intelligenza artificiale.
Nei romanzi dei moderni scrittori di fantascienza, si possono trovare super esseri "tessuti" dai campi di luce e forza, potenti e benevoli. Forse questa immagine si rivelerà una visione profetica, proprio come le immagini di "raggi di calore" e "iperboloide" si sono rivelate profetiche.
Anton Pervushin
