В рубиновом лазере атомы хрома легко возбуждаются светом от мощной разрядной электронной лампы, но атомные ядра светом не возбудить. Для этого необходимы ядерные реакции.
Советский физик Л. Ривлин в 1961 году впервые предложил схему создания ядерного лазера на мессбауэровском излучении без отдачи. Кристалл более чем наполовину обогащается долгоживущими возбужденными ядрами — изомерами. И достаточно хоть одному «разрядиться», как его гамма-квант послужит сигналом для всех остальных ядер, и газерный оркестр заработает. Но увы… Вместо чарующей мелодии мы бы услышали какофонию звуков, какую мог бы издавать небезызвестный квартет из басни И. Крылова.
На возбуждение ядер нейтронами, на выделение их из мишени и кристаллизацию требуется минимум несколько дней. Изомеры с таким временем жизни существуют, но ширина резонансной линии у них настолько мала, что становятся заметными ее искажения, связанные с дефектами кристаллической решетки. Эти искажения, неодинаковые у разных ядер, грубо нарушают ядерный гамма-резонанс.
Не лучше ли будет, если сделать газер на короткоживущих изомерах, как это предлагают советские ученые В. Гольданский и Ю. Каган? Сразу отпала бы забота о дефектах кристаллической решетки и слабых магнитных взаимодействиях между ядрами, тоже меняющих энергию резонансных гамма-квантов. Их влияние оказалось бы просто незаметным при той ширине линии, которая соответствует времени жизни возбужденных ядер порядка 10–2–10–6 секунды.
Но как за столь короткое время успеть проделать все необходимые предварительные процедуры?
Кажется, что ни за что не успеть обеспечить ядрам реакцию захвата нейтронов, выделить возбужденные изомеры и создать из них кристаллическое тело газера. Чтобы не попасть в цейтнот, физики предлагают обойтись без двух последних операций и сосредоточить все внимание на одной, заключающейся в следующем.
Сначала приготавливается кристалл, содержащий ядра, которые предстоит превратить в изомеры. Затем мощнейший поток нейтронов, приблизительно такой, что образуется при ядерном взрыве, за миллионные доли секунды возбуждает атомные ядра. Как будто газер готов?
Нет. Беда в том, что облучение нейтронами губительно для кристалла, он слишком перегревается и может разрушиться. Поэтому совершенно необходимо вынести из зоны облучения нейтронами рабочее вещество газера, где будут излучаться гамма-кванты.
Так ко всем предыдущим операциям добавляется еще одна, которую необходимо выполнить за те же миллионные доли секунды. Надо либо перенести в другой кристалл созданные изомерные ядра, либо перекачать в этот второй кристалл всю драгоценную энергию, накопленную в момент облучения нейтронами.
Конечно, энергия не вода, которую перекачивают по трубам, но в данном случае не нужны и провода, по которым обычно подается электроэнергия. Изомеры с помощью резонансных гамма-квантов могут передать свою энергию таким же стабильным ядрам второго кристалла и превратить его в готовый для работы гамма-лазер. Пока идет обсуждение и проблемы в целом, и отдельных операций. Работать с долгоживущими изомерами намного удобнее, и сейчас детально обдумывается любая возможность уменьшения искажения ширины резонансной линии.
Дилемма, стоящая перед теми, кто занимается проблемой гамма-лазера: или большое время жизни изомерных ядер, или очень малая ширина резонансной линии — сегодня уже не кажется неразрешимой. Специалисты по кристаллографии достигли значительных успехов в выращивании так называемых бездефектных кристаллов. А физики предлагают защищаться от искажений, связанных со слабым магнитным взаимодействием между ядрами в кристаллической решетке, с помощью внешнего радиочастотного поля.
Но, может быть, первым заработает гамма-лазер, параметры которого подобраны по принципу золотой середины. Такой вариант газера с применением эффекта Мессбауэра предложил советский ученый В. Летохов. По его мнению, в будущем приборе гамма-кванты должны испускать изомеры с не очень длинным, но и с не очень коротким временем жизни: от 0,1 секунды до 10 секунд. Для возбуждения этих изомерных ядер не требуются и слишком мощные потоки нейтронов. Необходимое для работы газера количество изомеров можно получить с помощью действующих ядерных реакторов. Однако в отличие от предыдущих вариантов здесь рабочее вещество газера должно пройти через такие сложные процедуры, каким не подвергается ни один материал даже в самом сложном производстве.