MAZE, LAZE VÀ CÁC ĐIỀU KỲ DIỆU KHÁC CỦA TIA SÁNG
Ưu việt của lý thuyết lượng tử không chỉ là ở chỗ nhờ nó ta có thể hiểu được các sự kiện không thể giải thích được theo quan điểm của lý thuyết cổ điển. Nó mở ra trước các nhà bác học những chân trời mới mà trước đây họ chưa từng mơ ước tới. Thật đúng là ''bằng ngòi bút'' chỉ đơn giản phân tích các công thức mà các nhà vật lý đã tìm được các hiệu ứng phi thường, thể hiện các ý tưởng vào các dụng cụ đo, đưa đến sự thay đổi lớn lao trong kỹ thuật. Một trong những thay đổi gây ấn tượng mạnh mẽ nhất là các máy phát lượng tử. Vào năm 1939 Valentin Aleksandrovich Fabrikant (1907 - 1991) đã nhận thấy rằng trong những điều kiện nhất định, bức xạ điện từ khi gặp vật chất sẽ được khuếch đại lên. Thực chất hiện tượng này như sau. Ta biết rằng các electron trong các nguyên tử hay phân tử riêng lẻ và cả trong các môi trường kết tụ có thể nằm ở các mức năng lượng khác nhau. Để cho đơn giản ta sẽ nói về hai mức E1 và E2, E1 > E2. Nếu có một sóng điện từ có tần số
(1)
đi tới hệ này thì theo các tiên đề Bohr photon có thể nhường năng lượng của mình cho electron đẩy nó từ mức E2 lên mức cao hơn E1 . Đó là hiện tượng hấp thụ cộng hưởng. Nhưng như Einstein đã chứng tỏ (năm 1917) thì khi có một photon không có gì khác với photon đầu tiên có khả năng buộc electron ở mức E1 phải chuyển xuống mức E2 kèm theo việc một photon với cùng một tần số được phát xạ đi cùng một phân cực bay đi cùng hướng với photon đầu tiên kia. Kết quả là thay vì cho một photon lại xuất hiện hai photon giống nhau - nghĩa là xảy ra hiện tượng bức xạ cưỡng bức.
Trong các điều kiện bình thường của cân bằng nhiệt động lực học số electron ở mức năng lượng cao ít hơn số electron ở mức năng lượng thấp. Bởi vậy do sự hấp thụ cộng hưởng mà tổng số photon có tần số v khi đi qua vật chất sẽ giảm xuống. Nếu vì những nguyên do nào đó mà số electron ở mức năng lượng cao lại nhiều hơn thì sự bức xạ tần số v sẽ được mạnh lên như Fabrikant đã nhận xét. Ông đã nêu ra nguyên lý khuếch đại bức xạ điện từ.
Chỉ còn lại một “việc nhỏ” là làm sao để số electron ở mức năng lượng thấp. Vào năm 1954 Nikolai Gennadiyevich Basov (sinh năm 1922) và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (sinh năm 1916) và độc lập với họ một người Mỹ tên là Charles Hard Townes (sinh năm 1915) đã chế tạo được các dụng cụ có khả năng phát và khuếch đại các sóng vô tuyến thuộc dải ví sóng trên các phân tử amoniac: các maze (maser).
Lĩnh vực khoa học và kỹ thuật này đã phát triển như vũ bão. Vào năm 1952 một nhà lý thuyết người Pháp Alfred Kastler (1902 - 1984) đã đưa ra phương pháp bom quang học, và chẳng bao lâu sau đã xuất hiện các máy phát và máy gia tốc bức xạ quang kết hợp: các laze (laser).
Một thành công rực rõ nữa của lý thuyết lượng tử có liên quan tới dự báo và giải thích các tính chất của vật chất ở các nhiệt độ rất thấp. Trước hết nó liên quan đến tính siêu dẫn và tính siêu chảy. Ở các nhiệt độ rất thấp hàng triệu nguyên tử tập trung lại thành một ''hòn'' độc đáo, có hành trạng giống như một hạt. Hiện tượng này được gọi là sự ngưng tụ Bose - Einstein, thuật ngữ này thông dụng trong khoa học cũng nhờ cơ học lượng tử - một công cụ mạnh mẽ nhất để tiên đoán và giải thích các hiệu ứng mới.
N.G.BASOV, A.M.PROKHOROV VÀ C.H.TOWNES
Aleksandr Mikhailovich Prokhorov và Nikolai Gennadiyevich Basov là những người đầu tiên biết cách tạo ra một môi trường có sự lấp đầy vị trí các mức bị đảo ngược - phần lớn các phân tử của nó nằm ở mức năng lượng cao. Dưới tác động của bức xạ có tần số bằng hiệu năng lượng của mức cơ bản và mức kích thích, các phân tử sẽ quay về trạng thái cơ bản và phát ra bức xạ cưỡng bức.
A.M. Prokhorov và N. G. Basov đã thông báo các kết quả nghiên cứu của mình vào năm 1952 và công bố chúng năm 1954. Một năm sau họ đưa ra sơ đồ máy phát ''ba mức'': các phân tử “bị dồn lên” mức trên; sau đó phần lớn trong số chúng ''tràn xuống'' mức trung gian, ở đó chúng ''sống'' khá lâu để tạo ra được môi trường nghịch đảo vị trí các mức. Các phân tử sẽ bức xạ khi chuyển xuống mức thấp.
Mười tháng trước khi Basov và Prokhorov công bố kết quả của mình Charles Townes ở trường đại học tổng hợp Columbia cũng đã đi tới sơ đồ máy phát như thế.
Năm 1964 A.M. Prokhorov, N. G. Basov và Charles Townes được trao giải Nobel về vật lý ''vì nhưng công trình mang tính nền móng trong lĩnh vực điện tử học lượng tử, dẫn tới việc chế tạo các máy phát và máy gia tốc dựa trên nguyên lý hoạt động của maze - laze''.
