Самое простое - самое сложное

Нобелевский лауреат Александр Прохоров уверен, что в будущем технологическом укладе ключевую роль будут играть лазер и Солнце

По мнению ряда историков науки, в ушедшем столетии СССР и Россию здорово обделили главными для мирового научного сообщества призами - Нобелевскими премиями. Комбинационное рассеяние света (Ландсберг и Мандельштам), электронный парамагнитный резонанс (Завойский), охлаждение атомов лазерным лучом (Летохов) - список легко продолжить. По злому ли умыслу Нобелевского комитета, нередко демонстрировавшего конъюнктурный характер своего выбора, или по причине изоляции советского научного сообщества произошла эта историческая несправедливость, но факт остается фактом - ныне здравствующих российских лауреатов в области естествознания всего двое: получивший в прошлом году "Нобеля" Жорес Алферов и Александр Прохоров, удостоившийся высокой награды в 1964 году совместно с ныне покойным своим учеником Николаем Басовым и американским физиком Чарльзом Таунсом.

Впрочем, небольшое количество наших нобелевских лауреатов отчасти окупается их "качеством", если такой термин в этом случае применим. Скажем, Густаву Далену "Нобеля" вручили за автоматический регулятор для осветительных систем маяков и буев, а Габриэль Липман был премирован за метод цветной фоторепродукции. Спору нет, все это разработки полезные, но вряд ли их можно причислить к судьбоносным открытиям. Премии Алферова и Прохорова относятся к числу тех, что были присуждены за самые значительные технократические прорывы прошлого века. Работы Алферова (интервью с ним мы публиковали незадолго до того, как Шведская академия присудила ему премию, см. "Эксперт" N30 за 2000 год) серьезно продвинули вперед кластер полупроводниковых некремниевых технологий, а Прохоров вместе с Басовым и независимо от Таунса изобрел лазер. Сейчас академик Прохоров, которому 11 июля исполнилось 85 лет, помимо лазеров активно занимается полупроводниковыми технологиями и уверен, что кремний еще не сказал своего последнего слова.

- Прежде всего вы известны как изобретатель лазера. Почему вы вдруг решили заняться этой тематикой, ведь сразу после войны, когда вовсю раскручивались ядерный и космический проекты, разработка квантового генератора не казалась перспективным направлением?

- Вы правы. Никому до нас с Басовым не приходило в голову, что можно сделать квантовый генератор, тем более в оптическом диапазоне, хотя Эйнштейн еще в тысяча девятьсот шестнадцатом году показал, что если возбужденный атом облучать светом определенной частоты, то он, переходя в нижнее энергетическое состояние, излучает квант той же частоты. Но сначала мы сделали мазер - квантовый генератор в диапазоне СВЧ. Дело в том, что мы занимались микроволновой радиоспектроскопией - изучали спектры молекул в СВЧ-диапазоне. Нормальная научная работа, но к практике она тогда не имела отношения, меня в этом одно время даже упрекали, но в итоге все-таки оставили в покое.

Ясно, что возбужденная молекула, находящаяся в верхнем энергетическом состоянии, при прохождении радиоволны будет ее усиливать, а молекула на нижнем уровне - поглощать. (Реально первый мазер был реализован на более сложной, трехуровневой, системе, когда после накачки большинство молекул оказывается на самом верхнем, третьем, уровне, а затем переходит на второй; индуцированное же излучение реализуется при переходе со второго на первый. - "Эксперт".) Далее следовало отсортировать молекулы так, чтобы возбужденных оказалось больше. Одновременно похожим путем шли американцы, но первым был все-таки мой доклад в Кембридже, после которого мы с Таунсом и подружились. Тогда практически никто не верил, что отсортированные возбужденные молекулы действительно станут работать как квантовый генератор. Таунс, как и мы, сортировал молекулы аммиака, но для создания мазера не хватало еще одного - резонатора. Тогда мне пришла счастливая идея использовать известный из оптики резонатор Фабри-Перо - два параллельных зеркала, отражаясь от которых, волна многократно проходит через среду и усиливается. Мы были первыми, кто все это придумал, но патент первыми получили американцы. В советское время и слова-то "патентование" никто не знал.

- По сути вы решили чисто технологическую задачу...

- Правильно. Но самые простые вещи человек зачастую пытается решить самым сложным образом. Это теперь кажется просто - возьми трехуровневую систему, создай инверсию населенностей и поставь два параллельных зеркала. Мы, кстати, потом предложили использовать и рубин для создания оптического квантового генератора, который Мейман применил в своем устройстве - первом лазере.

- Не жалеете, что не запатентовали свое открытие? Стали бы миллиардером...

- Нет, не жалею.

- Что сейчас происходит в квантовой электронике?

- Тупика до сих пор не видно, продолжается очень интенсивное развитие этой области, все время новые и новые явления, новые типы лазеров.

- То есть увеличивается мощность лазеров, используются новые, более эффективные материалы?

- Не только. Повышается КПД, он сейчас, например, у полупроводниковых лазеров выше, чем у твердотельных. Теперь используются комбинированные устройства, сочетающие особенности полупроводниковых и твердотельных лазеров, успешно занимаются газодинамическими лазерами.

- Развитие лазеров происходило прежде всего в военных целях?

- Сначала - может быть, но есть и вполне мирные примеры их применения. Помимо медицины или лазерных проигрывателей можно вспомнить стокиловаттные газовые устройства, которые применяются для выжигания с поверхности воды разлившейся нефти.

- А что можно сказать о лазерах, работающих в гамма-диапазоне, лазерах с ядерной накачкой? Прошла информация, что такие лазеры найдут применение в выстраиваемой американцами новой системе НПРО.

- Работы в этой области идут, но пока не видно, что в ближайшее время они найдут какое-то применение. Американцы действительно хотели делать лазеры с ядерной накачкой и будто бы даже получили в одной из лабораторий нужный эффект, но я-то знаю, что никакого эффекта они не получили. Вообще военные, безусловно, двигают науку, они всегда за передовые идеи и иногда готовы поддержать кажущиеся бредовыми мысли, причем бывает, что мысли эти срабатывают. Но холодная война закончилась, и фейерверк спровоцированных военными открытий оскудел. Если говорить о ближайших технологических прорывах в лазерной области, мне кажется, что они скорее будут связаны с нанотехнологиями и квантовым компьютером (о лазерных технологиях в квантовом компьютере см. "Эксперт" N17 за 2000 год).

- В сферу ваших интересов входят и кремниевые технологии. Между тем некоторые специалисты полагают, что силиконовая эпоха близится к концу. Стоит ли сегодня серьезному ученому интересоваться кремнием?

- Развитость страны определяется уровнем фундаментальных исследований и наличием высокотехнологичной промышленности. Создание атомного оружия или, скажем, лазеров было и остается высокими технологиями. Но сейчас это, безусловно, и микроэлектроника, которая базируется на полупроводниках, в первую очередь на кремнии. Проблема как раз в том, что у нас в стране он почти не выпускается.

- В Красноярске собираются его выпускать...

- Уже семь лет Минатом там собирается его выпускать, но пока ничего нет.

- А как обстоят дела с проектом "Балтийская кремниевая долина" - варианта развития российской индустрии производства кремния, получившего вашу поддержку?

- Проект строительства в Сосновом Бору, рядом с Ленинградской АЭС, центра по производству кремниевых пластин привлек потенциальных инвесторов из Европы и Азии. Оман был готов начать его финансирование. В Европе из ленинградского кремния должны были производить элементы для солнечных энергетических устройств. Но Минатом стал убеждать представителей Омана, что лучше инвестировать в красноярское кремниевое производство, и повез их туда его показывать. Они поехали в Красноярск, посмотрели, что там творится (там на самом деле реально ничего нет), - и денег Минатому не дали. Так вот отпугнули инвесторов, готовых сразу выложить триста миллионов долларов.

- Вы говорите об использовании балтийского кремния в производстве солнечных элементов. Но это должен быть материал высочайшей очистки - электронного качества. Нужен ли такой дорогой материал для фотоэлементов солнечных электростанций?

- Если вам нужны хорошие фотоэлементы - то да, если -дрянь - нет.

- Насколько мы понимаем, речь идет о промышленных солнечных установках...

- Конечно. На Западе в этом направлении многое делается. А настроить можно на любую мощность. Подсоединяйте новые фотодиоды, проблем здесь никаких нет. Европа активно переходит на солнечную энергию, там уже многие дома облицованы фотопластинами, они хорошо работают, к их качеству нет претензий.

Обычно думают, что если использовать сверхчистый кремний высокого качества, то батареи обойдутся дорого. Действительно, существующие сейчас установки по производству кремниевых пластин большого диаметра не удовлетворяют запросам массового производства таких элементов с точки зрения цены. Но мы можем предложить новые технологии, которые помогут существенно снизить себестоимость кремния. Россия обладает уникальной технологией выращивания монокристаллов большого диаметра и нужной чистоты, при этом они будут дешевле, чем на мировом рынке. Потому-то представители различных стран и обратились к нашему опыту.

- Тем не менее известно, что кпд солнечных установок не очень высокий.

- Это как раз касается батарей, которые делают из плохого кремния, там кпд действительно около десяти процентов. Но норма для солнечной батареи на хорошем кремнии сейчас составляет двадцать процентов.

Вообще, на мой взгляд, углеродной энергетике можно предложить сегодня только две реальные альтернативы: атомную и солнечную. Резко увеличивать число АЭС не нужно, к тому же необходимо постоянно работать над повышением их безопасности, что стоит недешево. Поэтому десятки процентов выработки электроэнергии скоро будут приходиться на солнечную энергетику.

- Некоторые считают, что солнечные электростанции лучше разворачивать в космосе, а уже оттуда выработанную энергию передавать на Землю.

- Этим идеям, вызвавшим когда-то большой бум, больше двадцати лет, но ведь для передачи энергии на наземное приемное устройство придется использовать лазерный или СВЧ-луч большой мощности, и по пути он сможет уничтожить все живое. Это луч смерти, применение таких технологий реально, но опасно.

- Значит, нужно строить наземные установки?

- Да, и для этого нет никаких препятствий: больших пустынь, на миллионы квадратных километров, где их можно развернуть, на Земле много. Посчитайте, с квадратного метра уже сейчас получают примерно киловатт электроэнергии. Можно создавать и небольшие локальные установки и подсоединять их к общей энергосети: днем излишек мощности отдай в сеть, а ночью - возьми ее оттуда.

- А что вы думаете еще об одной "энергетической альтернативе" - управляемом термоядерном синтезе? В некоторых установках пытаются получить энергию, взрывая водородную смесь лазерными лучами, сейчас, например, американцы строят гигантскую станцию такого типа.

- Вы мне популярные лекции не читайте. Для таких установок нужны не только сверхмощные лазеры, но и излучение высокого качества, необходимо сфокусировать и синхронизировать с высочайшей точностью несколько таких лучей на объекте небольшого объема, а в строительство промышленной установки придется вложить колоссальные деньги. Пока ни одной станции нет. Что же касается американского проекта, то, по моему мнению, такие установки создаются скорее для совершенствования ядерного оружия. Будет ли это востребовано мирной энергетикой, пока не понятно. УТС остается проблемной областью.

- А топливные элементы? Разработчики уже сегодня близки к тому, чтобы выпускать промышленные установки с почти тридцатипроцентным кпд.

- Не знаю. Я не вижу пока ни одной программы, которая могла бы решить энергетические проблемы человечества, кроме ядерной и солнечной энергетики. Другие технологии можно использовать только для решения частных задач.

Мазер (Maser, аббревиатура английских слов Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление микроволн в результате индуцированного излучения) - квантовый генератор, работающий в радиодиапазоне.

Лазер (Laser, аббревиатура английских слов Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света в результате индуцированного излучения) - оптический квантовый генератор.

Лазер - источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Существуют лазеры газовые, жидкостные и твердотельные, а также непрерывного и импульсного действия. Главный элемент лазера - активная среда, для образования которой используют воздействие света, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы "накачки", результатом которой оказывается так называемая "инверсия населенностей" - состояние, когда число частиц среды на верхних энергетических уровнях (соответствующих большей энергии) оказывается больше, чем на нижних. В естественном состоянии вещества все обстоит наоборот. Проходящая через среду электромагнитная волна "провоцирует" переход частиц среды с верхних уровней на нижние, что сопровождается испусканием новых волн с теми же характеристиками, в результате чего интенсивность излучения может быть многократно усилена.

История создания лазера

1916 год. Альберт Эйнштейн предсказывает возможность индуцирования внешним электромагнитным полем излучения атомов, которое обладает теми же характеристиками.

1939 год. Валентин Фабрикант, сотрудник МЭИ, формулирует принцип усиления электромагнитного излучения для среды, в которой можно создать инверсную, то есть возрастающую с увеличением энергетического уровня населенность электронами их атомных орбит.

1955 год. Николай Басов и Александр Прохоров разрабатывают мазер, активной средой которого является аммиак.

1957 год. Американские ученые Чарльз Таунс и Артур Шавлов начинают разработку принципов лазера.

1958 год. Александр Прохоров использует для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

1960 год. Американский физик Теодор Мейман, сотрудник фирмы "Хьюз Эйркрафт", сконструировал на основе работ Басова, Прохорова и Таунса первый лазер на рубине (длина волны 0,69 мкм). Тогда же Чарльз Таунс и Артур Шавлов запатентовали изобретение лазера.

1962 год. Николай Басов предложил идею лазера на основе полупроводникового кристалла, а американцы Джаван, Беннет и Гарриот разработали газовый лазер.