ГАММА-ЛАЗЕР, ис точ-ник ко-ге-рент-но-го елек-тро-маг-ніт-но-го з-лу-че-ня $ γ $ -діа-па-зо-на. Час-то ис-поль-зу-ють-ся з-кра-ще-ня «гра-зер» або «га-зер», від англ. фра-зи «Gamma Ray Amplification by Stimulated Emission of Radiation» ( «усі-ле-ня $ γ $ -з-лу-че-ня з по-мо-гою ви-ну-ж-ден-но-го з- лу-че-ня »). За-ка ге-ні-ра-ція ви-ну-ж-ден-но-го з-лу-че-ня в $ γ $ -діа-па-зо-ні НЕ осу ще ст-в-ле -на. За-лу-че-ня ге-ні-ра-ції в рент-ге-нів-ському і $ γ $ -діа-па-зо-нах від-кри-ло б но-ші пер-спек-ти-ви в рент-ге-нів-ському струк-тур-ном ана-лі-зе. Чи-то-гра-фії, ядер-ної фі-зи-ке (воз-дей-ст-віє на ті-че-ня ядер-них ре-ак-цій) і ін.
Ідея Г.-Л. віз-ник-ла в свя-зи з по-яв-ле-ні-му оп-тич. ла-зе-ра і від-кри-ти третьому Мёсс-бау-ера еф-ФЕК-та. От-даху-тя іс-пус-ка-ня $ γ $ -кван-тов без від-да-чи по-ста-ви-ло по-прос про реа-лі-за-ції ви-ну-ж-ден -но-го з-лу-че-ня сис-те-мій віз-бу-ж-Ден-них ядер. Впер-ші на цю мож-ли-ність вка-зал ріс. фі-ЗІК Л. А. Рів-лін в 1961. В 1961-65 од-но-ча-мен-но і не через-ві-сі-МО не-як-ко сов. і амер. груп фі-зи-ков за-ні-ма-лись раз-ра-бот-кою схем Г.-Л. на еф-ФЕК-ті Мёс-сбау-ера. Для ство-да-ня ак-тив-го се-ди пред-по-ла-га-лось ис-поль-зо-вать ра-діо-хі-мич. ме-то-ди ви-де-ле-ня дол-го-жи-ву-ють ядер-них з-ме-рів з по-сле-дую-щим вве-де-ні-му їх в крис-тал- лич. мат-ри-цу або ви-ра-щі-ва-ні-му з цих ядер ак-тив-них крис-тал-лов.
Для віз-ник-но-ве-ня на-рас-таю-щей ла-ві-ни ко-ге-рент-них $ γ $ -кван-тов НЕ-про-хо-ді-мо: 1) ство- дати ін-вер-сю на-се-льон-но-стей пра-цю-чих рів-ній; 2) ве-ро-ят-ність ви-нуж-ден-но-го з-лу-че-ня долж-на бути ви-ше ве-ро-ят-но-сті по-гло-ще-ня або рас -сея-ня $ γ $ -кван-тов в ак-тив-го се-де ла-зе-ра. Т. о. віз-ник-шиї в сере-де $ γ $ -з-лу-че-ня (в ре-зуль-та-ті спон-тан-но-го рас-па-да отд. ядер) бу-дет усі- чи-вать-ся, ес-ли пліт-ність $ N $ воз-бу-ж-Ден-них ядер пре-ви-ша-ет по-ро-го-ше зна-че-ня $ N ^ * $. ко-то-рої оп-ре-де-ля-ет-ся з ус-ло-вия ра-вен ст ва ко-еф. $ Μ $ ре-зо-Нансі-но-го ви-ну-ж-ден-но-го з-лу-че-ня (ко-еф. Кван-то-по-го усі-ле-ня) і до -еф. $ Δ $ не-ре-зо-Нансі-них по-терь енер-гии: $ μ = δ $. Ко-еф. усі-ле-ня $ μ $ оп-ре-де-ля-ет-ся фор-му-лій: $$ \ mu = \ frac \ frac \ fracN. \ qquad (1) $$ Тут $ λ $ - дли -на віл-ни $ γ $ -з-лу-че-ня, $ ℏ $ - по-сто-ян-ва План-ка, $ Γ $ - спік-траль-ва ши-ри-на ре-зо- Нансі-но-го пе-ре-хо-да отрута-ра в кри-став-ле, $ τ $ - ча-ма жит-ні отрута-ра в изо-мер-ном со-стоячи-ванні, $ α $ - ко-еф. кон-вер-сії внут-рен-ній. $ Β $ - т. Зв. ко-еф. Гілки-ле-ня, вчи-ти-ваю-щий мож-ли-ність пе-ре-хо-да отрута-ра на ін. рівнях-ні, ле-жа-щие ви-ше ниж-ні-го ра- бо-чо-го, ес-ли ге-ні-ра-ція йде з бо-леї ви-со-ких рів-ній, ніж пер-вий воз-бу-ж-Ден-ний ($ β = 1 $ для ге-ні-ра-ції з пер-по-го мож-бу-ж-Ден-но-го рівня-ня отрута-ра). Ні-ре-зо-нан-с-ні по-ті-ри в об-лас-ти енер-гий $ γ $ -кван-тов, в ко-то-рій ве-ро-ят-ність еф-фек- та Мёс-з-бау-ера ве-ли-ка, оп-ре-де-ля-ють-ся в осн. фо-то-еф-ФЕК-те. Для кри-став-лич. мат-ріц з $ δ≈ 10 см ^ $. по-ла-гаю в $ (1) λ = 1 Å. α≈β≈ 1 $. по-лу-чим $$ N ^ * = 1,3 \ cdot10 ^ Γ \ tau. \ qquad (2) $$
Ес-ли ши-ри-на ли-нии $ γ $ -пе-ре-хо-да рав-на ес-ті-ст-вен-ної, $ Γτ = 1 $. то кри-тич. пліт-ність воз-бу-ж-Ден-них з-мер-них ядер з-ставши-ля-ет НЕ-зна-чит. частина пліт-но-сті ато-мов в твёр-будинок ті-ле (по-ряд-ка 10 23 ато-мов / см 3). Чи не мёс-сбау-еров-ський ва-ри-ант Г.-Л. прак-ти-че-скі не-мож-мо-дружин, як і скільки-ку для ядер з атом-ни-ми но-ме-ра-ми $ Z $ з се-ре-ді-ни пе-Ріо- ді-че-ської сис-те-ми еле-мен-тів до-п-ле-рів-ське вуха-ре-ня ли-нии $ ΓD≈10 ^ $ Гц і вже при $ τ = 10 ^ $ с по -ро-го-вая пліт-ність з-мер-них ядер (2) ви-хо-дить за пре-де-ли пліт-но-сті твёр-до-го ті-ла.
Об-су-ж-да-ет-ся мож-ли-ність ис-поль-зо-ва-ня бо-зе-ейн-Штей-нів-ско-го кон-ден-са-та в ка-че ст-ве пра-цю-чий сере-ди Г.-Л. Це, з од-но-ро-ни, забезпе-пе-чи-ва-ет ма-білу ши-ри-ну ли-нии $ γ $ -пе-ре-хо-да, а з дру-гой - да-ет мож-ли-ність раз-ві-ку схем зі прихованої-тій ін-вер-си-їй на-се-льон-но-стей.
Ве-ро-ят-ність еф-ФЕК-та Мёс-сбау-ера близ-ка до 1 толь-ко виз-че-ні-ях енер-гии пе-ре-хо-да $ ℏω<150$ кэВ. Для кван-тов боль-шей энер-гии ве-ро-ят-ность из-лу-че-ния без от-да-чи рез-ко па-да-ет. Это ог-ра-ни-чи-ва-ет верх-нее зна-че-ние ве-ли-чи-ны энер-гии γ -кван-тов, дос-ти-жи-мое в Г.-л. на ядер-ных пе-ре-хо-дах. Ниж-нее зна-че-ние энер-гии ра-диац. пе-ре-хо-дов ядер, при-год-ных для ге-не-ра-ции γ -из-лу-че-ния, оп-ре-де-ля-ется бы-ст-рым рос-том се-че-ния фо-то-эф-фек-та с умень-ше-ни-ем энер-гии γ -кван-тов. По-это-му об-ласть при-год-ных энер-гий ра-диац. пе-ре-хо-дов ядер оп-ре-де-ля-ет-ся не-ра-вен-ст-ва-ми: $10\ кэВ<ℏω<150 \ кэВ$ .
Залежність ширини лінії γ мёссбауеровского випромінювання від часу життя τ ізомери; пунктирна крива відповідає природній ширині лінії, суцільна лінія - результат екстраполяції ек.
Мо-де-ли Г.-Л. на ядер-них пе-ре-хо-дах мож-но раз-де-лити на дві груп-пи: Г.-Л. на ко-рот-ко-жи-ву-ють ($ τ⩽10 ^ $ с) і дол-го-жи-ву-ють ($ τ»10 ^ $ с) з-ме-рах. Гра-нич-не зна-че-ня $ τ = 10 ^ $ з навчанням-слів-ле-но тим, що при $ τ⩽10 ^ $ з ши-ри-на мёс-сбау-еров-ської чи-ванні $ γ $ -пе-ре-хо-да близ-ка до ес-ті-ст-вен-ної ши-ри-ні $ Γτ≈1 $. При $ τ»10 ^ $ з ши-ри-на ли-нии нема за ві сит від ча-ме-ні жит-ні та рав-на при-бли зи тель-но $ 10 ^ 5 $ Гц, а сле-до-ва-тель-но, $ Γτ»1 $ (рис.). Це і оп-ре-де-лі-ло осн. працю-но-сті пер-вих мо-де-лей Г.-Л. на дол-го-жи-ву-ють з-ме-рах.
Ні-з-беж-ні на-ру-ше-ня иде-аль-но-сті кри-став-лич. ре-шёт-ки, хи-мич. і квад-ру-поль-ні сдви-ги ре-шёт-ки, а так-же маг-ніт-ве ді-поль-ді-поль-ве взаи-мо-дей-ст-віє ядер при-во-дять до вуха-ре-ня ли-нии $ γ $ -ре-зо-нан-са.
Про-прогрес в раз-ра-бот-ке схем Г.-Л. на дол-го-жи-ву-ють з-ме-рах був дос-тиг-нут бла-го-да-ря пра-цю-там Р. В. Хох-ло-ва з со-праця-ні-ка -ми, ко-то-які пред-ло-жи-ли при-ме-нить ме-то-ди ЯМР-спек-тро-ско-ПІІ твёр-дих тіл (див. ядер-ний маг-ніт-ний ре -ЗО-Нансі) для су-же-ня ли-нии $ γ $ -ре-зо-нан-са. Спе-ци-аль-но по-доб-ран-ва по-сле-до-ва-тель-ність їм-куль-сов з годину-то-тій, з-від-вет-ст-ву-щей пе- ре-хо-дам ме-ж-ду маг-ніт-ни-ми по-ду-рів-ня-ми пра-цю-чих рів-ній ядер, по-зво-ля-ет по-да-вить ці ме -ха-низ-ми вуха-ре-ня ли-нии. Б-ст-раю пе-ре-ори-ен-та-ція ядер ра-діо-годину-той-ним по-лем ос-лаб-ля-ет ді-поль-ді-поль-ве взаи-мо-дей -ст-віє, ус-ред-ня його ве-ли-чи-ну, маю щую раз-ний знак при разл. ори-ен-та-ції спи-нів. Од-но-ча-мен-но ос-лаб-ля-ет-ся маг-ніт-ве взаи-мо-дей-ст-віє ядер з со-сивий-ні-ми ато-ма-ми і взаємо-мо -дей-ст-віє елек-Тріч. квад-ру-поль-них мо-мен-тів ядер з внут-ри-кри-став-лич. електро-Тріч. по-ля-ми. Ана-ло-гич-но по-дав-ля-ет-ся т. Н. хі-мич. зрушення. Т. о. ис-кусства. су-же-ня ли-нии $ γ $ -ре-зо-нан-са по-зво-ля-ет при-бли-зить-ся до ство-да-нию Г.-Л. на дол-го-жи-ву-ють з-ме-рах.
У схе-мах на ко-рот-ко-жи-ву-ють з-ме-рах (В. І. Голота-дан-ський. Ю. М. Ка-ган) осн. про-бле-ма - ме-ха-нізм воз-бу-ж-де-ня (на-кач-ка) ядер. На-кач-ка долж-на бути ін-тен-сів-ної і се-лек-тив-ної. Еф-ФЕК-тив-но мож-бу-ж-дая пра-цю-ність отрута-ра, вона долж-на мі-ні-маль-но мож-му-щать со-стоячи-ня ре-шёт-ки кри -сталь-ла. Най-бо-леї близ-ки до ви-пол-ні-нию цих тре-бо-ва-ний сле-дую-щие ві-ди мож-бу-ж-де-ня ядер: за-хват ті-п- ло-вих ній-тро-нів (див. Ра-діа-ци-он-ний за-хват), віз-бу-ж-де-ня з-лу-че-ні-му (син-хро-трон- вим, ха-рак-те-ри-сти-че-ським, рент-ге-нів-ським та ін.), а так-же віз-бу-ж-де-ня пуч-ком за-ря-дружин- них годину-тиц.
Іс-сле-до-ва-лась так-же мож-ли-ність з-вме-ще-ня пре-иму-вин двох схем: не-кри-тич-но-сті па-ра-мет-рів на- кач-ки в схе-ме на дол-го-жи-ву-ють з-ме-рах і ма-ло-сті про-з-ве-де-ня $ Γτ $ в схе-ме на ко-рот-ко -Живий-щих з-ме-рах. Це мож-но, напр. осу ще ст вити при на-ли-ності двох поблизу-ко рас-по-ло-дружин-них ядер-них рів-ній з разл. ча-ме-на-ми жит-ні та раз-ні-цей енер-гий, со-від-вет-ст-ву-щей енер-гии кван-та оп-тич. або УФ-ла-зе-ра, ко-то-рий мо-же сти-му-ли-ро-вать пе-ре-хід з дол-го-жи-ву-ще-го ядер-но-го по ду-рів-ня на ко-рот-ко-жи-ву-щий. Т. о. на-кач-ка осу ще ст-в-ля-ет-ся на дол-го-жи-ву-щем пе-ре-хо-де, а ге-ні-ра-ція - на ко-рот- ко-жи-ву-щем. Та-кі схе-ми на-зи-ва-ють-ся триг-гер-ни-ми.
Через низ-кою від-ра-жа-тель-ний спо-соб-но-сті ма-те-ріа-лов в $ γ $ -діа-па-зо-не тра-Діц. схе-ма оп-тич. ре-зо-на-то-рів НЕ-прі-рік-на. Од-на-ко мож-ли-але ис-поль-зо-ва-ня ано-маль-но низ-ко-го по-гло-ще-ня $ γ $ -з-лу-че-ня по оп- ре-де-льон-ним на-прав-ле-ні-ям в кри-став-ле, для ко-то-яких ви-пол-ня-ет-ся Брег-га - Вуль-фа ус-ло-віє (еф-фект Бор-ма-на). У цих на-прав-ле-ні-ях про-ис-хо-дить силь-ве від-ра-же-ня від атом-них пло-ко-стей кри-став-ла, в ньому рас-про-стра -ня-ють-ся дві пло-ські віл-ни під уг-лом один до дру-гу, і на-пря-дружин-ність ін-тер-фе-рен-ци-он-но-го елек-Тріч. по-ля в уз-лах ре-шёт-ки рав-на 0. По-це-му γ -кван-ти не ті-ря-ють енер-гію на ви-ри-ва-ня елек-тро-нів і рез-ко по-ні-жа-ет-ся ве-ро-ят-ність по-гло-ще-ня $ γ $ -кван-тов. Ство-да-ня мно-го-шар-них на-но-ст-рук-тур по-зво-ля-ет на-де-ять-ся на по-лу-че-ня від-ра-жаю-щих зер-кал для γ -діа-па-зо-на.
Ге-ні-ра-ція ко-ге-рент-но-го $ γ $ -з-лу-че-ня мож-ли-на так-же при ви-ну-ж-ден-ний ан-ні-ги ля-ції еле-трон-но-по-зи-трон-них пар, при взаємо-мо-дей-ст-вії ви-со-ко-енер-ге-тич. зустрічей-них Пуч-ков за-ря-дружин-них годину-тиц з про-країн-ст-вен-но-пе-ріо-ді-че-скі-ми струк-ту-ра-ми. Ме-ха-низ-мом ге-ні-ра-ції ко-ге-рент-но-го $ γ $ -з-лу-че-ня мо-же бути так-же т. Н. над-з-лу-че-ня, ко-ли ко-ге-рент-ність ис-пу-щен-них фо-то-нов яв-ля-ет-ся слід-ст-ві-му кор-ре- ля-ції з-стоячи-ний від-дель-них ядер-з-лу-ча-ті-лей.