В отличие от обычных лазеров, в которых используется множество идентичных атомов или молекул, новый микроволновый лазер (мазер) работает на одном искусственном атоме.

Основу прибора, изготовленного Олегом Астафьевым и его коллегами из японской национальной лаборатории RIKEN и лаборатории наноэлектронных исследований NEC, составляет небольшой «островок» сверхпроводящего алюминия наноскопического размера, помещенный в микроволновый резонатор длиной несколько миллиметров.

Внутри сверхпроводника электроны образуют куперовские пары, которые могут разрушаться под действием приложенного внешнего напряжения, при этом один из электронов немедленно покидает сверхпроводник через проводящий электрод, а другой переходит на более высокий энергетический уровень. Через некоторое время второй электрон так же покидает сверхпроводящий «островок», которой переходит в промежуточное энергетическое состояние, при распаде которого образуется микроволновый фотон.

Фотон задерживается внутри резонатора и стимулирует излучение других когерентных фотонов. Процесс усиления происходит так же, как и в обычных мазерах, за исключением того, что в них используется большое количество атомов и молекул, а в новом мазере – один искусственный атом. Благодаря такой конструкции, частоту излучения нового прибора можно точно подстраивать, изменяя приложенное напряжение, в отличие от обычных мазеров, излучающих на фиксированной частоте, сообщает Physicsworld.

Прибор работает от источника постоянного напряжения, и в отличие от других мазеров ему не требуются внешние источники радиочастотного излучения, что позволяет существенно снизить его массу и количество выделяемого тепла. Новый мазер работает при температуре около 1К, при которой алюминий находится в сверхпроводящем состоянии.

По мнению разработчиков, новый мазер может быть использован для создания небольших подстраиваемых источников микроволнового излучения и усилителей, которые будут интегрироваться в электронные микросхемы. Такие приборы могут использоваться для исследования динамики молекул и других свойств веществ. Ученые также считают, что мазер может применяться в качестве источника когерентных фотонов в квантовых компьютерах.