量子无线电电子学

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巴索夫是苏联的科学家。1952年,他和A.M.普罗霍罗夫一起提出了利用原子来产生和放大电磁辐射的原理,从而奠定了量子无线电电子学这门新学科的基础。本文是根据巴索夫在苏联几个杂志上发表的文章编译的。

近年来,一门新的、很重要的学科——量子无线电电子学得到了蓬勃的发展。

量子无线电电子学是量子力学和无线电电子学相结合而产生的边缘学科。量子力学研究分子、原子、电子等微观世界中物理现象的规律。量子力学指出,在微观世界中,电磁波能量的吸收和辐射不是连续的,而是一份一份地进行的。这一份一份的电磁能量就叫做量子。深入研究量子和物质相互作用的过程,就能够控制分子、原子等的状态和活动。这样,在1952年,就提出了利用分子、原子等微观系统和量子的相互作用来产生和放大电磁波的新方法。用这种方法制造的量子器件(量子振荡器和量子放大器),和一般无线电电子学中利用电子流和电磁场相互作用而制成的电子器件,在原理上是根本不同的。量子器件能够得到一般无线电技术所不能得到的效果。

例如,利用量子振荡器已经制成一种极准确的钟,在300年内只有一秒的误差。这种精确的钟有很大的科学价值,利用它可以通过实验来验证重要理论的正确性。举例说,通过装在宇宙火箭和地球上的两个这种时钟的时间差,就可以直接验证爱因斯坦相对论中的一个重要结论——当速度接近光速时,时间的流逝就要变慢。另一方面,在实际应用中,例如飞机和宇宙飞船的准确导航,远距离控制和精确测量等,也都需要这样精确的量子钟。没有这样的仪器,就不可能实现宇宙飞船到其它行星去的飞行。

量子放大器能够显著地提高接收机的灵敏度。大家知道,任何无线电仪器的灵敏度都受到“固有噪声”的限制。这种噪声是由于导体和管子内部的电子杂乱的热运动所产生的。为了减弱热噪声,就必须降低接收机的温度。但是电子管的阴极一般都达到700~1000℃,半导体管也不能在太低的温度下工作。而量子放大器可以在接近绝对零度的温度下工作。在剧烈冷却的晶体中,晶体原子和量子相互作用时,实际上在厘米波段不产生噪声。目前用量子放大器制成的厘米波接收机,在采用良好天线的条件下,灵敏度要比普通接收机高几十倍到几百倍。这就大大地促进了雷达、无线电导航、宇宙无线电通信、无线电天文学和一系列科学技术部门的发展。

现在,量子无线电电子学已经扩展到光波波段。大家知道,光和无线电波的本质是相同的,它们都是电磁振荡,不同的只是光的波长较短罢了。目前已经制出了第一批光波量子振荡器。计算表明,利用这种光波振荡器能够实现几光年距离内的无线电通信,也就是能和最接近地球的恒星进行通信。这是因为这种光波振荡器能够发出方向性极强的光束。波长越短,就可以得到越强的方向性。例如,为了从地球上“照射”月球表面上不大于一平方公里的面积,若用波长为1厘米的无线电波,就得建造直径为3公里的定向天线;而采用光波波段的电磁波,则只需要直径为20~30厘米的反射器就行了。

由于光波量子振荡器的波束很窄,因此用在雷达中,可以区分彼此相距很近的物体,从而可大大地提高雷达的鉴别力。利用光波振荡器的月球雷达,将能看清楚月球表面最小的细节。

光波的频率很高,因此在用光波段的电磁波来进行无线电通信时,可以传送大量的信息。例如,一架光波发射机就能够传送上万路的电视节目。

利用光波量子器件可以制成工作速度极高的计算机。如果说,利用普通电子器件的计算可能得到每秒几亿次的运算速度,那么,利用了光波量子器件就可能把运算速度提高到每秒几十万亿次。

光波量子振荡器产生的无线电辐射,可以聚焦到尺寸和光波波长相近的极小的面积上(直径只有千分之几毫米!)。由于能量的高度集中,在这个焦点上的光压可以达到几百万个大气压。因此,光波量子振荡器有可能获得许多新的应用,例如实现带电粒子的加速,对各种金属材料进行加工,进行电动力学方面的实验,研究热核反应。在化学、生物学、医学和其它部门中也可能广泛应用光波量子振荡器。

现在制造出来的量子振荡器的特性,和前面举出的根据理论计算出来的极限数字还相差很多。这首先是因为制造量子振荡器用的晶体还不够好。晶体中的每一个原子都是一个辐射发生器,只要稍微破坏了晶体的成分或结构,它的晶体就会使光发生散射,这样就只能获得很分散的光束。所以在这方面的主要问题之一是进一步改善制取单晶体的工艺。这个问题和十年前半导体电子 学开始发展时所遇到的问题类似。那时侯,要求制造出具有完整晶体和没有杂质的半导体单晶。后来解决了这个问题,各种各样的半导体器件就产生了。可以设想,制取光波无线电技术所需要的单晶这个问题也是一定能够解决的。不久的将来,“原子无线电台”将广泛地用于各个科学技术部门和实际生活中。(苏联 Н·Г·巴索夫)(李敬章、林伟、周其昌等译)