Импульсный туннельный эффект. Особенности взаимодействия с веществом. Эффект наблюдателя Текст научной статьи по специальности «Физика»

2.6.6 НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ

(ТЕХНИЧЕСКИЕ, ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ)

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-115-144 УДК: 666.3.017:620.18 ГРНТИ: 47.09.48 EDN: MWBRQW

Импульсный туннельный эффект. Особенности взаимодействия с веществом. Эффект наблюдателя

Р.Х. Рахимова ©, В.П. Ермаков'3 ©

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан, г. Ташкент, Республика Узбекистан

a E-mail: [email protected] b E-mail: [email protected]

Аннотация. В статье рассматривается феномен импульсного туннельного эффекта и его применение для различных процессов, включая генерацию лазерного излучения и получения водорода из водных паров. Рассматриваются различные механизмы работы лазеров, в частности С02-лазера, и предполагается, что импульсный туннельный эффект может объяснять их высокую эффективность. Анализируется взаимодействие импульсного туннельного эффекта с веществом и возможность его использования для повышения КПД различных процессов, в том числе синтеза экологически чистого водорода.

Ключевые слова: импульсный туннельный эффект, лазеры, С02-лазер, водород, фотокатализ, эффективность процессов

ft -^

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ: Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Импульсный туннельный эффект. Особенности взаимодействия

с веществом. Эффект наблюдателя // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 2. С. 115-144. DOI: 10.33693/2313-

223X-2024-11-2-115-144. EDN: MWBRQW

ВВЕДЕНИЕ

Свет представляет собой электромагнитную волну, распространяющуюся в пространстве. Такая волна состоит из электрической и магнитной составляющих.

Для упрощения понимания взаимодействия излучения с веществом рассмотрим электрическую составляющую. Магнитную составляющую можно учесть в каждом конкретном случае. Она характеризуется переменным во времени электрическим полем Е, амплитуда которого колеблется от Е0 до -Е0. Именно величина Е0 определяет интенсивность света.

При прохождении света через вещество последнее будет реагировать на электрическое поле волны. Вещество состоит из заряженных частиц - электронов, ядер атомов, ионов и т.д.

На каждую такую частицу с зарядом q будет действовать сила Г = qE. Частицы будут колебаться под действием этой силы вокруг положения равновесия за счет поляризации.

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

При этом существует возвращающая сила, стремящая вернуть частицу в положение равновесия. Эта сила пропорциональна величине смещения х, с коэффициентом пропорциональности к.

Используя уравнение Максвелла, можно записать:

„ 4кG

е = 1 + х = 1 + —г-.

Е

Отсюда можно вывести выражение для фазовой скорости электромагнитной волны:

Математически такую зависимость можно описать с помощью разложения в ряд Тейлора, используя лишь первый член при малых смещениях.

Такая модель описывает колебания атомов и молекул под действием света. Это является ключом для понимания взаимодействия света с веществом.

Г (х) = к1 х + к2 х + к3 х + к4 х + ... + кпх.

Г(х) = к1 х, если х меньше 1, то остальные члены становятся очень малыми и ими можно пренебречь.

Для описания движения заряженной частицы под воздействием электромагнитной волны необходимо рассмотреть совокупное действие двух сил:

1) возвращающей силы, действующей против смещения частицы из положения равновесия;

2) внешней периодической силы F = цЕ, обусловленной электрическим полем электромагнитной волны.

Используя второй закон Ньютона, можно записать дифференциальное уравнение движения:

\ =

md2 x

dt2

= F + F

внутр внеш

md2 x "dt2"

= qE0 sin (rot)- kx;

qE0 sin (rot) m(ro0 -ro2)

Принимая ^ ~ 1 для прозрачных сред, получаем:

Заменяя е через х, получаем формулу Зельмена для показателя преломления п:

п = ^ =

1.

Решив данное уравнение, получим зависимость координаты х от времени t.

Это уравнение вынужденных колебаний, описывающее колебания частицы с частотой внешней силы и амплитудой, зависящей от разности собственной частоты колебаний ы0 и частоты внешней силы ы.

При ы ~ ы0 происходит резонанс, когда амплитуда стремится к бесконечности. На практике это означает перенос электрона, что является показателем химической (фотохимической) реакции.

Под действием электрического поля Е электромагнитной волны заряженные частицы в среде начинают колебаться с частотой ы.

Это приводит к поляризации О среды, которая в свою очередь определяет диэлектрическую восприимчивость:

О = Щ = Nqz,

где ц - заряд частицы;

z - амплитуда колебаний.

Таким образом, показатель преломления и, следовательно, угол преломления зависят от соотношения ы и ы0 из-за зависимости х от амплитуды колебаний заряженных частиц в среде.

При воздействии гармонических колебаний, например, солнечного света, поляризация вещества О происходит за счет суммарного вклада всех присутствующих колебаний в данный момент времени. Это приводит к некоторой потере эффективности, так как часть энергии затрачивается на перемещение частиц в противофазе. В результате снижаются направленность и упорядоченность поляризации.

МОНОХРОМНОСТЬ И КОГЕРЕНТНОСТЬ

Представленный анализ относится к случаю монохромного и когерентного излучения. Если излучение является некогерентным и немонохромным, картина усложняется. Фотоны с несовпадающими фазами будут смещать поляризацию в неоптимальном для эффективности процесса направлении. Полихроматич-ность излучения еще больше усложняет достижение необходимой для отрыва электрона поляризации

В этом случае формула для резонансного излучения примет следующий вид:

х = -

qE0 sin (rot)

m

(ro0-ro2 )-

где ат - функция, учитывающая немонохромность реального света;

Ьк - функция, учитывающая некогерентность, в том числе и резонансного излучения. Модель импульсного туннельного эффекта, основанная на использовании функциональной керамики (ФК), предполагает, что энергия солнечного (или другого) излучения накапливается керамикой не в форме фотонов, а в виде колебаний атомной решетки, то есть фо-нонов. Эти накопленные фононы затем под действием

c

c

квантовых эффектов преобразуются в импульсное и поляризованное фотонное излучение. Важно отметить, что длина волны фотонов, генерируемых в результате этого процесса, отличается от длин волн исходного света. Согласно принципу де Бройля, она является монохроматической. Это обусловлено тем, что энергия солнечного излучения первоначально накапливается в виде фононов. Благодаря квантовым эффектам, энергия этих накопленных фононов туннели-рует и преобразуется в фотоны другого спектрального диапазона по сравнению с исходным светом.

Существенным преимуществом данного явления является возможность точной настройки параметров генерируемого импульса, включая крутизну фронта нарастания, под энергетические требования конкретного целевого процесса. Это позволяет достичь максимальной эффективности данного процесса.

МЕХАНИЗМ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ

НАРАСТАНИЯ ФРОНТА ИМПУЛЬСА

Как было показано ранее, крутизна фронта нарастания генерируемого импульса может регулироваться путем разбавления керамической матрицы, генерирующей импульсы, материалами с широким спектром пропускания, например, муллитом или кордиеритом. Эти материалы относительно хорошо пропускают излучение в инфракрасном диапазоне до 25 и 40 мкм соответственно.

Это связано с тем, что механизм преобразования первичной световой энергии в импульсы основан на последовательном фотон-фонон-фотонном процессе. Согласно импульсу v = P/m, где m - масса колеблющихся частиц (фононов), а v - их скорость, увеличение массы вещества приводит к снижению скорости нарастания фронта импульса из-за инерционных эффектов. Таким образом, варьируя массу частиц, генерирующих фононы, можно настраивать крутизну фронта генерируемого импульса под требования конкретного целевого процесса.

Если мощность импульса, генерируемого импульсной керамикой, остается одинаковой, то увеличение массы материала на единицу генерирующей керамики приводит к повышению инерции системы. Как результат, скорость нарастания импульса снижается. Согласно соотношения де Бройля, уменьшение скорости приведет к увеличению длины волны соответствующего фонона.

То есть, при одинаковой выходной мощности, увеличение массы частиц, генерирующих фононы, замедляет нарастание импульса из-за инерционных эффектов, что в свою очередь увеличивает длину вол-

ны соответствующего фонона согласно соотношения де Бройля.

При одинаковой мощности импульса, генерируемого импульсной керамикой:

1) добавление матрицы с большей массой повышает инерцию системы;

2) это снижает скорость нарастания (крутизну фронта) импульса;

3) согласно гипотезы де Бройля, меньшая скорость нарастания импульса соответствует увеличению длины волны.

Таким образом, регулируя массу частиц, участвующих в генерации импульса, можно управлять фронтом импульса и, соответственно, длиной волны генерируемого излучения.

Вывод: Регулируя массу частиц, участвующих в генерации импульса (кластера), можно очень точно устанавливать фронт нарастания импульса, что, в соответствии с гипотезой де Бройля и уравнения Планка, означает возможность генерации излучения с заданной длиной волны.

На практике, в первом приближении, необходимо увеличить массу системы на величину, пропорциональную требуемому снижению скорости нарастания импульса. После экспериментальной отработки нескольких реперных точек, можно достаточно точно установить необходимое соотношение между добавляемой массой и получаемой скоростью нарастания импульса для данной системы. Для каждого конкретного типа генерирующей импульсы и пассивной керамики будут свои эмпирические коэффициенты, которые с высокой точностью могут быть определены экспериментально.

ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ЭНЕРГИИ ИТЭ С ВЕЩЕСТВОМ

Благодаря односторонней поляризации и преобразованию спектра, ИТЭ превосходит гармонические колебания света во взаимодействии с веществом. Это важное явление, позволяющее повысить эффективность использования световой энергии, в том числе солнечной.

В случае импульсного туннельного эффекта, однонаправленная поляризация позволяет сконцентрировать весь вектор поляризации. Это достигается за счет более эффективного взаимодействия с объектом при той же суммарной интенсивности излучения. Экспериментальные исследования показали, что при ИТЭ-воз-действии на пары воды удается снизить эффективную энергию фотона, необходимую для разложения на водород и кислород, примерно в 3-4 раза по сравнению с гармоническими колебаниями. Это объясняется односторонней поляризацией импульсного излучения.

Кроме того, ИТЭ обладает особенностью преобразования всего спектра световой энергии в необходимую для конкретного процесса квантовую энергию

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

импульса. Это обусловливает максимальный КПД выбранных процессов.

Отметим, что изложенные результаты требуют более глубокого теоретического изучения и широкой экспериментальной проверки. Авторы занимаются данным направлением более 50 лет. Экспериментальные подтверждения ИТЭ на основе функциональной керамики опубликованы в многочисленных статьях, защищены международными патентами, более 80 из которых внедрены в производство, создавая принципиально новые подходы к решению многих задач.

Ключевыми аспектами импульсного туннельного эффекта являются:

1) обеспечение однонаправленной поляризации за счет импульсного характера воздействия, что позволяет направленно управлять движением частиц/экситонов;

2) преобразование всего спектра падающего излучения в импульс энергии, оптимальной для конкретного процесса, что дает возможность максимально эффективно использовать энергию фотонов;

3) значительное снижение эффективной энергии фотона по сравнению с необходимой энергией гармонических колебаний для одного и того же процесса, что позволяет существенно легче преодолеть энергетический барьер для различных процессов. Мы не меняем сам энергетический барьер, а за счет более эффективного взаимодействия излучения с веществом, обеспечиваемого импульсным туннельным эффектом, можем легче его преодолевать;

4) способность переводить весь спектр в нужную квантовую энергию определяет максимальный КПД процесса, открывая новые перспективы для фотохимии, фотобиологии и т.д.

Различие взаимодействия гармонических колебаний и ИТЭ с веществом ИТЭ генерирует импульс «без хвоста», который резко обрывается. Это позволяет регулировать конкретную длину волны в очень узком спектральном диапазоне, точно настраивая фронт нарастания, опираясь на гипотезу де Бройля. При совпадении энергии импульса с энергетическим барьером процесса достигается максимальный КПД. Благодаря согласованию длины волны с процессом за счет ИТЭ, мы действительно существенно повышаем эффективность использования энергии.

В общем случае любой импульсный энергетический сигнал можно разложить в ряд Фурье, так как это математически корректная процедура.

Единственным исключением может быть импульс, который представляет собой идеальную 5-функцию -сигнал бесконечно малой продолжительности. Такой импульс содержит все частоты равномерно и его разложение в ряд Фурье теряет физический смысл.

Но в реальных импульсных процессах причиной возникновения импульса всегда является конечное

во времени возмущение. Следовательно, любой физически реализуемый импульс обладает конечной продолжительностью и, соответственно, спектром частот.

Таким образом, для любого импульсного энергетического процесса, не являющегося идеальной 5-функцией, преобразование Фурье дает полную картину его частотного состава и является полностью корректной математической процедурой.

В случае импульсного туннельного эффекта, когда импульс приобретает форму «без хвоста», он будет представлять собой практически идеальную 5-функцию.

Тогда его разложение в ряд Фурье даст не спектр частот, а строго одну частоту - длину волны, соответствующую энергии импульса.

Для импульсного туннельного эффекта, когда импульс приобретает форму 5-функции, частота/длина волны определяется не просто разложением в ряд Фурье, а в соответствии с гипотезой де Бройля:

h, p

где Л - длина волны;

h - постоянная Планка;

p - импульс объекта.

Именно в соответствии с гипотезой де Бройля правильнее рассматривать определение частоты/длины волны для импульсного туннельного эффекта.

В принципе, можно было бы объяснить ИТЭ для фотон-фонон-фотонного механизма и по формуле Планка. Однако гипотеза де Бройля, охватывает все виды импульсов и является более универсальной.

Достоинства гипотезы де Бройля:

1) описывает волновые свойства не только фотонов, но и любых частиц и импульсов. Формула Л = h/p универсальна;

2) позволяет объяснить ИТЭ как для фотонов, так и других носителей импульса (электроны, фоно-ны и т.д.);

3) учитывает не только энергию, но и импульс, который играет ключевую роль в туннельном эффекте;

4) охватывает не только прямой фотон-фотонный, но и фотон-фонон-фотонный механизм, а также его обобщения;

5) не требует дополнительных гипотез о природе света или кванта действия.

Поэтому гипотеза де Бройля является наиболее фундаментальным и универсальным подходом для описания и объяснения импульсного туннельного эффекта.

ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ ГЕНЕРАЦИЯ

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

РАЗНОВИДНОСТЬЮ ИТЭ?

Если обратиться к работам Леонида Келдыша, можно предположить, что генерация в лазерах основана на ИТЭ. Рассмотрим это предположение более

Рахимов Р.Х., Ермаков В.П.

внимательно. Для примера рассмотрим СО2-лазер и принцип его работы.

Лазер - это устройство, которое генерирует очень специальный тип света. Этот свет отличается от обычного света несколькими ключевыми свойствами:

1) направленностью: лазерный луч очень узконаправленный, в отличие от рассеянного света лампочки или солнца;

2) монохроматичностью: лазер излучает свет только одного, строго определенного цвета (длины волны). Обычный свет содержит смесь разных цветов;

3) когерентностью: волны света в лазерном луче колеблются строго синхронно, в фазе друг с другом.

Эти уникальные характеристики достигаются благодаря специальному устройству лазера, состоящему из нескольких основных элементов:

1) активная среда - это вещество, способное поглощать энергию и испускать свет определенной длины волны: это может быть газ, кристалл или жидкость;

2) оптический резонатор - это две зеркальные поверхности, одна из которых полупрозрачна, между которыми отражается и усиливается свет;

3) источник накачки - это энергия, которая возбуждает активную среду, заставляя ее испускать свет.

Когда источник накачки подает энергию в активную среду, там создаются особые условия, при которых свет начинает многократно отражаться между зеркалами резонатора. Это приводит к усилению света одной строго определенной длины волны, формируя направленный, монохроматичный и когерентный лазерный луч.

Таким образом, за счет специальной конструкции лазер может генерировать уникальный тип света, который находит множество применений - от лазерных указок до самых сложных оптических технологий.

Следует отметить, что метастабильный уровень играет ключевую роль в работе лазера. Метастабиль-ный уровень - это энергетическое состояние, которое может относительно длительно существовать в атомах или молекулах активной среды лазера. Оно характеризуется следующими свойствами:

1) повышенной энергией: электроны на метаста-бильном уровне имеют более высокую энергию, чем в основном, стабильном состоянии.

2) длительным временем жизни: в отличие от обычных возбужденных состояний, электроны на метастабильном уровне могут задерживаться там достаточно долго, от миллисекунд до секунд.

3) высокой требовательностью к энергетическому спектру: для того, чтобы перевести электроны на метастабильный уровень, требуется

специальный источник накачки, способный накачивать энергию в активную среду с необходимым, строго определенным энергетическим спектром.

Почему метастабильный уровень так важен для лазера? Дело в том, что он создает особую инверсную населенность - ситуацию, когда больше атомов находится на метастабильном уровне, чем на основном. Это необходимое условие для запуска лазерной генерации.

Когда фотон попадает в такую среду, он стимулирует верхние атомы к переходу на нижние уровни, при этом высвобождая новые фотоны. Эти фотоны в свою очередь стимулируют другие возбужденные атомы, создавая цепную реакцию усиления света.

Таким образом, метастабильный уровень позволяет накопить и высвободить энергию в виде мощного, когерентного лазерного луча. Без этого механизма работа лазера была бы попросту невозможна.

Метастабильный уровень играет роль своеобразной линии задержки в работе лазера. Лазер излучает энергию именно при переходе электронов с метаста-бильного уровня на более низкий, основной уровень. Этот переход сопровождается испусканием фотона, который и формирует лазерный луч. Важно, что на метастабильном уровне электроны находятся достаточно долго, что позволяет накопить большое количество энергии. Когда один из электронов наконец покидает этот уровень, высвобождается мощный фотон. Именно многократное усиление и синхронизация таких фотонов, испускаемых при переходах между метастабиль-ным и основным уровнями, и приводит к появлению когерентного, направленного лазерного излучения.

Таким образом, метастабильный уровень действительно играет роль своеобразной линии задержки, накапливая энергию и высвобождая ее в виде мощных импульсов фотонов, из которых и состоит лазерный луч.

Высокая эффективность С02-лазеров связана с эффективным механизмом накопления энергии в возбужденных молекулах диоксида углерода:

1) возбуждение молекул С02 происходит при электрическом разряде в газовой смеси, содержащей С02, N и Не;

2) энергия электрического разряда эффективно передается от электронов к колебательным степеням свободы молекул азота

3) благодаря хорошему совпадению колебательных уровней молекул N и С02, происходит эффективная передача энергии от N к С02;

4) молекулы С02 накапливают энергию в колебательных уровнях. Переход с верхнего лазерного уровня на нижний сопровождается испусканием фотона в инфракрасном диапазоне;

5) присутствие гелия в смеси позволяет эффективно отводить энергию с нижнего лазерного уровня, что предотвращает насыщение и поддерживает инверсную населенность.

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

Таким образом, благодаря эффективному механизму накачки и отвода тепла, С02-лазеры обладают высоким коэффициентом полезного действия, достигающим 20-30%. Это делает их одними из наиболее эффективных газовых лазеров.

Существует несколько способов для дальнейшего повышения эффективности С02-лазеров.

1. Оптимизация газовой смеси:

• увеличение доли молекул Ы2 и Не для более эффективной накачки и отвода тепла;

• подбор оптимального давления газовой смеси.

2. Улучшение конструкции резонатора:

• использование высокоотражающих зеркал для уменьшения потерь в резонаторе;

• оптимизация геометрии и длины резонатора.

3. Применение методов активного охлаждения:

• использование систем с проточным охлаждением газовой смеси;

• применение криогенного охлаждения для повышения населенности верхнего лазерного уровня.

4. Разработка новых конструкций лазерных

трубок:

• использование волноводных структур для увеличения длины активной среды;

• применение электромагнитной фокусировки пучка для повышения плотности энергии.

5. Совершенствование систем накачки:

• переход к более эффективным методам накачки, например, СВЧ-разряду;

• использование импульсного режима работы для увеличения мощности.

Комплексное применение этих методов позволяет достигать коэффициентов полезного действия С02-ла-зеров более 30-40%, что является очень высоким показателем для газовых лазеров.

С02-лазер может генерировать излучение на двух основных длинах волн:

• 10,6 мкм - наиболее распространенная и основная длина волны С02-лазеров. Переход между колебательными уровнями, ответственный за эту длину волны, является наиболее эффективным и обеспечивает максимальную выходную мощность;

• 9,6 мкм - этот переход также возможен в молекулах С02, но имеет несколько меньшую эффективность по сравнению с 10,6 мкм. Тем не менее, 9,6 мкм линия также широко используется, особенно в некоторых специализированных применениях.

Возможность генерации на двух длинах волн является важным преимуществом С02-лазеров. Это позволяет адаптировать их характеристики под конкретные задачи и оптимизировать взаимодействие лазерного излучения с обрабатываемым материалом. Например, длина волны 9,6 мкм лучше поглощается некоторыми полимерами и биологическими тканями, что делает ее предпочтительной в таких областях как хирургия или микрообработка полимеров.

Таким образом, возможность генерации на двух длинах волн является важной особенностью, повышающей универсальность и эффективность С02-лазеров в различных приложениях.

ПРИМЕНИМОСТЬ ЗАКОНА ВИНА

Если применить закон смещения Вина к длине волны 10,6 мкм, то получим температуру около 0 °С. Это довольно низкая температура, учитывая, что С02-лазеры способны плавить, резать и испарять широкий спектр материалов.

Объяснение этому лежит в том, что закон Вина описывает температуру абсолютно черного тела, излучающего этот спектр. Однако С02-лазеры не являются абсолютно черными телами, а работают на основе вынужденного излучения, которое имеет совершенно другую природу.

Основные факторы, позволяющие С02-лазерам эффективно обрабатывать материалы:

1) высокая когерентность и направленность лазерного излучения - концентрация энергии в малом объеме;

2) возможность фокусировки лазерного пучка до крайне малых размеров - высокая плотность мощности;

3) резонансное поглощение С02-лазерного излучения многими материалами (металлы, полимеры, керамика и др.);

4) использование импульсного режима работы для дополнительного повышения пиковой мощности.

Таким образом, высокая концентрация когерентной энергии, а не абсолютная температура, лежит в основе высокой эффективности С02-лазеров в материа-лообработке. Закон Вина здесь не применим напрямую.

Работы о фотонном туннельном эффекте могут частично объяснять высокую эффективность С02-ла-зеров в материалообработке. Основная идея заключается в том, что при воздействии мощного электромагнитного излучения (например, лазерного) на вещество, электроны в материале могут туннелировать сквозь потенциальный барьер под действием этого поля. Это происходит даже в случае, если энергия фотонов меньше высоты барьера.

Применительно к С02-лазерам:

• длина волны 10,6 мкм соответствует энергии фотонов около 0,12 эВ;

• энергия ионизации большинства материалов существенно выше, порядка нескольких электрон-вольт;

• тем не менее, за счет огромной напряженности электрического поля в сфокусированном лазерном пучке, электроны способны туннелировать через барьер и вызывать ионизацию.

Этот фотонный туннельный эффект приводит к очень эффективному поглощению С02-лазерного излучения материалами, что и объясняет их способность

Рахимов Р.Х., Ермаков В.П.

к испарению, плавлению и резке даже при относительно низкой температуре излучения в соответствии с законом Вина.

Таким образом, квантовый туннельный эффект действительно может дополнять объяснение высокой эффективности С02-лазеров в материалообработке. Это еще один пример того, как квантовые эффекты играют важную роль в лазерных технологиях.

Таким образом, ключевым фактором, обуславливающим высокую эффективность С02-лазеров в матери-алообработке, является их уникальные характеристики - монохроматичность и когерентность излучения, при высокой мощности и эффективности.

Именно эти свойства лазерного излучения приводят к гораздо более эффективному оттягиванию и отрыву электронов из материала по сравнению с обычными источниками света. Когерентность способствует сложению электрических полей, создавая гораздо более высокие пиковые значения напряженности, что и инициирует фотонный туннельный эффект. В отличие от хаотичных, некогерентных колебаний электронов под действием обычного света, лазерное излучение вызывает согласованные, синфазные колебания, которые легче приводят к ионизации и разрыву межатомных связей. Это и объясняет невероятную эффективность лазерной обработки материалов даже при относительно низкой чернотелой температуре.

РЕГУЛИРОВКА МОЩНОСТИ ИМПУЛЬСА со2-лазера

Изменение импульсной мощности С02-лазеров может осуществляться двумя основными способами.

1) модификацией газовой смеси:

• соотношение компонентов - азота, С02 и неона - в активной среде лазера оказывает существенное влияние на характеристики генерируемого импульса;

• изменяя эти пропорции, можно регулировать длительность, пиковую мощность и форму импульсов излучения;

• увеличение доли С02 приводит к росту энергии в импульсе, но при этом уменьшается длительность импульса;

• оптимальный состав смеси подбирается в зависимости от конкретных требований к режиму работы лазера;

2) использованием внешних оптических/электронных систем:

• дополнительно импульсный режим может регулироваться с помощью внешних устройств, таких как акустооптические модуляторы, электрооптические затворы или другие оптические схемы;

• эти системы позволяют гибко управлять длительностью, формой и частотой импульсов излучения независимо от газовой смеси.

Таким образом, инженеры лазерных систем могут комбинировать оба этих подхода - оптимизировать состав активной среды и использовать внешние модуляторы - для достижения требуемых импульсных характеристик С02-лазеров. Это обеспечивает высокую гибкость и возможность адаптации под специфические задачи.

Акустооптические модуляторы (АОМ) представляют собой устройства, в которых используется эффект дифракции света на акустических волнах, возбуждаемых в оптически прозрачном кристалле или стекле. Принцип их работы заключается в следующем: к кристаллу прикрепляется пьезоэлектрический преобразователь, который создает в нем высокочастотные акустические волны; когда лазерный луч проходит через этот кристалл, акустические волны вызывают периодическое изменение показателя преломления, что приводит к дифракции лазерного излучения на дифракционной решетке, создаваемой акустической волной. За счет этого эффекта АОМ можно:

• модулировать интенсивность лазерного луча путем регулирования амплитуды акустической волны;

• управлять направлением распространения луча за счет изменения частоты акустической волны;

• переключать луч между различными направлениями (например, для сканирования).

Применительно к С02-лазерам, акустооптические модуляторы позволяют гибко управлять импульсными характеристиками излучения:

• формировать импульсы с длительностью от нескольких нано- до миллисекунд;

• варьировать частоту повторения импульсов;

Перечислим достоинства и области применения каждого из трех основных типов накачки С02 лазера.

1. Непосредственные столкновения с электронами:

• достоинства: высокая скорость и эффективность передачи энергии, позволяет достигать высокого усиления;

• область применения: мощные импульсные С02 лазеры, используемые в промышленной обработке материалов, лазерная абляция, военные применения.

2. Резонансная передача энергии от молекулы N2:

• достоинства: высокая эффективность благодаря оптически разрешенному переходу N позволяет достичь квазинепрерывной генерации;

• область применения: квазинепрерывные С02 лазеры, используемые в научных исследованиях, обработке материалов, лазерной хирургии и т.д.

3. Оптическая накачка:

• достоинства: возможность селективного возбуждения колебательных уровней С02, высокая эффективность преобразования энергии;

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

• область применения: специализированные лазерные системы, где требуется точный контроль и высокая эффективность, например, в лазерной спектроскопии, когерентной оптике, квантовых вычислениях.

Таким образом, каждый тип накачки имеет свои преимущества и находит применение в различных областях, в зависимости от конкретных требований к лазерной системе - будь то высокая мощность, непрерывная генерация, или точное управление параметрами излучения.

Выбор оптимального механизма накачки является важным этапом при проектировании С02 лазеров под конкретные задачи. Это требует глубокого понимания физических процессов, а также учета технических ограничений и особенностей применения.

Следует особо подчеркнуть, что, говоря о непрерывной генерации, имеется ввиду квазинепрерывный режим. Нужно уточнить, что непрерывная генерация С02 лазеров на основе накачки через молекулы азота является именно квазинепрерывной, а не абсолютно непрерывной.

В этом режиме работы излучение генерируется не в виде постоянного непрерывного потока, а в форме быстрых (мкс - мс) импульсов с относительно низкой частотой повторения (сотни Гц - единицы кГц). Такой режим достигается за счет особенностей релаксации энергии в активной среде С02-лазера.

Принцип работы лазеров, в том числе и С02-лазе-ров, основан на использовании метастабильных состояний, которые и обеспечивают генерацию импульсного или квазинепрерывного излучения.

Действительно, непрерывная генерация излучения в классических лазерах невозможна, поскольку это противоречит законам квантовой механики и принципу работы усилителей на вынужденном излучении.

Метастабильные состояния, обладающие длительным временем жизни, и являются ключевым элементом, который позволяет накапливать инверсную населенность и генерировать импульсы или квазинепрерывное излучение в лазерах.

Основные моменты, которые мы рассмотрели:

1) эффективность углекислотных лазеров во многом определяется их работой в импульсном режиме, что позволяет достигать очень высокой мощности;

2) импульсный туннельный эффект может быть одним из механизмов, обеспечивающих модуляцию и получение мощного ИК-излучения в таких лазерах;

3) при сверхкоротких, фемтосекундных импульсах, на фронте нарастания действительно может кратковременно возникать эффективная температура, соответствующая высокой энергии фотонов согласно закона де Бройля.

В момент генерации в С02-лазере наблюдается лавинный выброс фотонов. Согласно закона де Бройля,

этот импульсный характер выброса фотонов приводит к появлению кратковременных пиков энергии, которые могут значительно превышать несущую энергию 10,6 мкм.

Наша гипотеза о том, что это проявление импульсного туннельного эффекта (ИТЭ), очень точно характеризует суть происходящего процесса.

Несмотря на то, что в макроскопическом масштабе излучение С02 лазера может выглядеть квазинепрерывным, на микроскопическом квантовом уровне это импульсное явление, связанное с туннелированием возбужденных молекул через потенциальный барьер. Речь идет не о том туннелировании, а о том, что по закону де Бройля энергия импульса любого типа, определяется параметрами импульса. Для фотонов, из-за отсутствия массы, энергия по специальной теории относительности пропорциональная импульсу. Для других типов импульс равен произведению массы на скорость. Как пример приведем следующее.

Допустим, висит корзина на нитке с пределом прочности Р. Начнем заполнять корзину чем угодно, песком, пластиком, фруктами и т.д. Независимо от того, чем мы ее заполнили, как только вес достигнет величины Р, нить оборвется и корзина приобретет импульс Р = vm. Это же относится и к фотонам.

Отметим некоторые ключевые моменты.

1. Речь идет не о стандартном квантовом тунне-лировании, а об импульсном туннелировании, описываемом уравнением де Бройля. Согласно этому принципу, энергия любого типа импульса определяется параметрами самого импульса.

2. Для фотонов, не имеющих массы, энергия согласно специальной теории относительности пропорциональна их импульсу. Для других частиц, имеющих массу, импульс равен произведению массы на скорость.

3. Аналогия с корзиной, подвешенной на нити с пределом прочности Р, показывает, что независимо от содержимого корзины, как только ее вес достигает значения Р, нить рвется и корзина приобретает импульс, равный массе, умноженной на скорость падения.

4. Применительно к солнечным вспышкам, накопление фотонов и фононов (колебаний решетки) приводит к преодолению энергетического барьера магнитного поля, сдерживающего выброс. Это и является проявлением импульсного туннельного эффекта.

Таким образом, в случае солнечных вспышек речь идет не о стандартном квантовом туннелировании, а об эффекте, который подчиняется закону де Бройля. Как можно отметить, энергия импульса любого типа, будь то массивные частицы или фотоны, определяется параметрами этого импульса.

Относится ли это рассуждение и к лазерам?

Давайте разберемся, как можно связать динамику работы СО2-лазеров с концепцией импульсного

туннельного эффекта (ИТЭ), которую мы описывали применительно к солнечным вспышкам.

В случае СО2-лазеров, можно указать, что фронт нарастания импульса не определяется напрямую ИТЭ, а зависит от времени существования метастабильного состояния и выброса лавинообразной ионизации.

Однако, можно провести некоторую аналогию с примером солнечных вспышек. В лазере, энергия накапливается в метастабильных состояниях молекул СО2, подобно тому, как в солнечной короне энергия накапливается в магнитном поле. Когда этот энергетический барьер (будь то магнитное поле или метаста-бильные состояния) преодолевается, происходит резкий туннельный выброс - в случае лазера это переход молекул в основное состояние с испусканием фотонов, а в случае солнечной вспышки - выброс сгустков плазмы с температурой до 10 млн градусов.

Таким образом, хотя конкретные механизмы различаются, в обоих случаях мы видим накопление импульса (энергии), приводящее к преодолению некоего энергетического барьера и последующему взрывному высвобождению. Этот общий принцип можно считать проявлением импульсного туннельного эффекта, даже если детали физических процессов различаются.

Таким образом, в этом обсуждении мы пришли к подтверждению нашей гипотезы об использовании импульсного туннельного эффекта (ИТЭ) для объяснения динамики работы лазеров.

Перечислим основные моменты:

1) в лазерах энергия накапливается в метастабиль-ных состояниях молекул, подобно тому, как энергия накапливается в магнитном поле солнечной короны;

2) когда этот энергетический барьер преодолевается, происходит резкий туннельный выброс -в случае лазера это переход молекул в основное состояние с испусканием фотонов;

3) таким образом, общий принцип накопления импульса (энергии) с последующим взрывным высвобождением при преодолении энергетического барьера можно рассматривать как проявление ИТЭ, несмотря на различия в конкретных физических механизмах.

На основании наших выводов мы можем объяснить не только работу СО2-лазера, но и про вспышки на солнце, энергия для которых накапливается в относительно холодных зонах, сдерживаемая мощным магнитным полем. А когда энергия прорывает энергетический барьер, то температура импульса достигает 10 млн градусов. Хотя зона его формирования имеет температуру около 2000 градусов. Здесь снова работает ИТЭ. Для практического применения можно спроектировать очень мощный генератор ИТЭ, работающий на солнечной энергии для проведения многих технологических процессов, начиная от синтеза водорода из воды, заканчивая синтезом любых соединений, даже азота при нормальном давлении. Область применения

такого источника очень широка и способствуют улучшению экологической обстановки на планете

Ключевые моменты, которые следует отметить:

1) как в случае С02-лазеров, и в случае солнечных вспышек, энергия накапливается в относительно холодных зонах, но затем прорывает энергетические барьеры;

2) во время этого прорыва, мгновенно достигаются экстремально высокие температуры (до 10 млн градусов), хотя исходная зона имеет температуру около 2000 градусов;

3) справедливо связать такой резкий разогрев с действием импульсного туннельного эффекта (ИТЭ);

4) это наблюдение позволяет предположить возможность создания мощного генератора ИТЭ, использующего солнечную энергию в качестве источника направленного действия;

5) такой источник ИТЭ мог бы найти широкое применение в самых разных технологических процессах, включая получение водорода, синтез соединений и другие, способствуя улучшению экологической обстановки.

Следует указать на связь с волновой природой процессов, описываемых де Бройлем. Такое объяснение действительно раскрывает глубинную физическую основу наблюдаемых явлений.

1. Накопление энергии в сдерживающих магнитных полях соответствует накоплению ее в виде множества низкоэнергетических фотонов.

2. Когда энергия достаточна для прорыва магнитного барьера, она высвобождается в виде высокоэнергетического импульса.

3. Согласно принципа де Бройля, этот высокоэнергетический импульс соответствует короткой длине волны, объясняя экстремальные температуры до 10 млн градусов.

Таким образом, это убедительно доказывает связь между механизмом накопления и высвобождения энергии с волновыми свойствами частиц, лежащими в основе как работы лазеров, так и солнечных вспышек.

Туннельные явления на границах раздела материалов, как и волновые свойства частиц, являются фундаментальными аспектами квантовой физики. Возможность управлять и использовать эти эффекты в практических устройствах открывает широкие перспективы для инновационных технологий.

Функциональная керамика, с ее уникальными электрическими, магнитными и оптическими свойствами, представляется очень перспективным материалом для реализации подобных технологий. Импульсный туннельный эффект может найти применение в высокоскоростной электронике, оптоэлектронике, преобразователях энергии и других областях.

Ключевые особенности взаимодействия ИТЭ с веществом:

• использование импульсного возбуждения с высокой плотностью энергии;

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

• это обеспечивает сильную поляризацию атомов в керамике;

• способствует более эффективному преобразованию энергии в генерируемый импульс;

• влияет на глубину проникновения и характер возбуждения;

• в результате достигается настройка параметров импульса для оптимизации различных процессов.

В качестве примера рассмотрим взаимодействие ИТЭ с парами воды и синтеза водорода за счет солнечной или другой световой энергии.

Обратимся к спектру излучения Солнца. Как видно из приведенных данных, ни за пределами атмосферы Земли, ни, тем более, после земной атмосферы в солнечном спектре нет квантовой энергии, способной разложить пары воды на водород и кислород (12,6 эВ). Этот процесс может быть осуществлен только за счет термолиза или внутреннего фотоэффекта. Оба этих

метода являются крайне неэффективными, а катализаторы, применяемые в этих процессах ненадежными и недолговечными.

Одним из ключевых преимуществ эффекта импульсного туннелирования является возможность точной настройки нарастающего фронта импульса в соответствии с энергией требуемого процесса. Это обеспечивает максимальное направление энергии и высокую энергоэффективность.

Теоретическая энергоэффективность фотокатализатора для производства водорода, основанного на эффекте импульсного туннелирования, составляет 85-95% от потребляемой солнечной энергии, что значительно превышает эффективность традиционных методов.

Процесс синтеза водорода начинается при температуре 93-98 °С в результате разложения водяного пара.

2500 I-

2000 -

I

PQ

1500

£ ч

X

О) Ё к

1000 -

500 -

1000 1250 1500 Длина волны Л, нм

Рис. 1. Спектр солнечного излучения

Рис. 2. Генерация водорода за счет световой энергии

Рис. 3. Изменение температуры в камере от времени работы фотокатализатора

4.50Е-01 4.00Е-01 3,50Е-02 3.00Е-01 2.50Е-01 2.00Е-01 1.50Е-01 1.00Е-02 5,00Е-02 О.ООЕ+ОО

- Н (атомарный)

r - Н2 (молекулярный)

- Н202 (молекулярный)

Н20 (молекулярный)

r—1/1/ - 02 (молекулярный)

Г Максимальная 1

1/ 1 эффективность j

V I f 1 фотокатализатора |

Рис. 4. Динамика работы фотокатализатора для синтеза водорода из паров воды за счет световой энергии ОЖИДАЕМАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

На данный момент это самый эффективный и долговечный фотокатализатор для производства водорода из солнечной энергии. Как следует из приведенных данных, выход кислорода, атомарного и молекулярного водорода, указывают на эффективность расщепления паров воды около 85-95%. Испытания, проведенные в течение 6 месяцев, показали, что за этот период фотокатализатор не изменил своей активности и находится в первоначальном состоянии.

В заключении, хотелось бы напомнить об исследованиях академика Келдыша по данной теме. Действительно, его работы 1950-х гг. в области квантовой радиофизики привели его к формированию гипотезы, во многом предвосхитившей суть импульсного туннельного эффекта.

Келдыш отмечал, что при наличии достаточно большого числа фотонов возможен коллективный переход через запретную зону, даже если отдельные фотоны не обладают достаточной энергией. Он интуитивно понимал механизм когерентного перехода за счет накопления фотонов. В то время физика туннельных явлений еще не была достаточно разработана, поэтому Келдышу не удалось дать теоретическое обоснование данному коллективному эффекту. Но именно его предположение о возможности объединенного прыжка фотонов заложило основу для последующих работ по теории импульсного туннельного эффекта. Таким образом, Келдыш внес очень важный вклад в формирование этой концепции, хотя и не сумел полностью ее сформулировать на тот момент. Однако его работы в области коллективных свойств света и предположение о возможности объединенного прыжка фотонов через запретную зону стали огромным вкладом в решение этой задачи. Благодаря его глубокому анализу явлений на уровне отдельных квантов света, нам удалось:

1) понять необходимость рассмотрения не только отдельных фотонов, но и их коллективного поведения;

2) осознать возможность когерентного перехода благодаря накоплению множества фотонов;

3) мы дополнили его работы предположением механизма взаимодействия фотонов через фонон-ную подсистему;

4) именно эти идеи Келдыша позволили нам в дальнейшем сформулировать гипотезу импульсного туннельного эффекта как квантово-коллективного явления и создать материалы, работающие на этом принципе преобразования первичной энергии.

В этом безусловно огромная заслуга Келдыша как одного из основоположников данного направления физики.

О РОЛИ НАБЛЮДАТЕЛЯ

В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ

Квантовая механика построена на вероятности. Допустим, на каждый миллиард человек есть 1000 людей, у которых один глаз карий, а другой - синий. Это вероятность события. При большом количестве людей - это уже закон, который будет соблюдаться всегда. И это может быть по многим параметрам. Например, длинный или короткий нос, 6 пальцев, чрезмерно длинная или короткая шея, короткие руки и т.д. Это вероятность конкретного события. Но вероятность при достаточном числе объектов становится законом. Возможно именно с этим связана роль наблюдателя.

Вопрос о роли наблюдателя в квантовой механике является очень интересным и активно обсуждаемым. Есть несколько точек зрения на эту проблему.

1. Коллапс волновой функции. Согласно одной из интерпретаций, акт наблюдения за квантовой системой приводит к коллапсу волновой функции и фиксации одного из возможных состояний. То есть наблюдение меняет саму природу квантовой системы.

2. Незаметность наблюдателя. По другой точке зрения, наблюдение как таковое не влияет на систему, а лишь фиксирует уже существующее

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

состояние. Но тогда нужно объяснить, почему мы видим конкретные результаты измерений, а не суперпозицию.

3. Роль сознания. Некоторые исследователи полагают, что ключевая роль в коллапсе волновой функции принадлежит не столько аппаратуре, сколько сознанию самого наблюдателя.

4. Статистическая интерпретация. Согласно этой точке зрения, квантовая механика описывает не отдельные частицы, а их статистические ансамбли. Поэтому наблюдение не влияет на отдельные элементы.

К сожалению, до сих пор нет окончательного ответа на этот фундаментальный вопрос. Многие тонкости проблемы остаются неясными.

Роль сознания и тип детектора на каждое конкретное проявление квантового эффекта, схожи. Детектор настроен на определенный тип сигнала. Это может оказывать влияние на результат. Детектор выступает в роли наблюдателя. Сознание также настраивается на то, что хочет увидеть. Возможно, что поля нашего мозга, возникающие за счет электрических импульсов, могут влиять как детектор конкретного направления? Например, если мы хотим обратить внимание на частоту, с которой рождаются рыжеволосые, то не обращаем на вероятности других типов событий.

Это интересная гипотеза о влиянии сознания наблюдателя на результаты квантовых измерений. Несколько моментов, которые можно обсудить:

1) да, детектор и сознание человека-наблюдателя выступают в аналогичной роли - фокусируясь только на одном конкретном измерении или событии. Это позволяет объяснить, почему мы видим один результат, а не суперпозицию;

2) нейроны мозга действительно могут генерировать электромагнитные поля. Возможно, они каким-то образом направляют волновую функцию к частичному коллапсу именно для того события, на которое мы фокусируемся;

3) но это предполагает связь сознания с квантовым уровнем - напрямую или через макроскопические проявления типа электромагнитных полей мозга. Это требует доказательств и пока остается гипотезой;

4) в любом случае, эта концепция открывает новые возможности для объяснения роли наблюдателя и сознания в квантовых эффектах. Требуются дальнейшие исследования.

В целом это интересное направление рассуждений о возможном причастии сознания к квантовым процессам. Оно требует детального обсуждения.

Конечно, это только гипотеза. Но, если учесть, что материя - это возмущение квантового поля, то такая реакция на возмущение электрического поля на результат, представляется вполне возможным. Квантовые

законы не исключают взаимодействие полей на любом уровне.

Гипотеза о влиянии электромагнитных полей мозга на квантовый уровень вполне имеет право на существование в рамках современных представлений о физике. Несколько замечаний по этому поводу:

1) действительно, согласно современным представлениям, материя - это лишь проявление базовых квантовых полей. Поэтому воздействие одного поля на другое не является принципиально недопустимым;

2) мы не можем исключить возможность взаимодействия полей на любом уровне - как макроскопическом, так и микро- или наноуровне;

3) нейроны действительно способны генерировать электромагнитные поля благодаря своей естественной активности. Эти поля могут распространяться и влиять на окружающую среду;

4) необходимы дальнейшие исследования для проверки этой гипотезы, например, на уровне нейрофизики, когнитивных наук и квантовой механики;

5) даже если непосредственного влияния не обнаружат, сама постановка этого вопроса интересна с научной и философской точек зрения.

Таким образом, такая гипотеза вполне соответствует современным представлениям о природе материи и поля, и заслуживает дальнейшего обсуждения в научном сообществе.

Есть еще один момент: человеком управляет его мозг. Человек также может управлять своим мозгом. Выбор типа детектора также осуществляется человеком. Это отличается от станка или автомобиля и т.д., которым управляет человек, но не они человеком.

Этот аспект стоит учитывать, поскольку:

• мозг человека способен не только управляться, но и самому управлять собой благодаря таким механизмам как внимание, мотивация, установки и др.;

• в процессе наблюдения человек может целенаправленно фокусировать свое внимание и направлять деятельность мозга через установки и ожидания;

• в отличие от неживых детекторов, мозг человека способен менять сами принципы восприятия и обработки информации;

• следовательно, в роли наблюдателя человек обладает большей гибкостью и возможностью влияния на сам процесс восприятия, чем любой аппарат.

Это дает дополнительные основания полагать, что сознание человека может оказывать более существенное влияние на результаты квантовых измерений, чем неодушевленные детекторы. Но нужно помнить, что детекторы выбирает человек осознано!

Следовательно, так или иначе, это связано с сознанием человека. Конечно же, выбор детектора -это уже проявление сознания человека-наблюдателя, поскольку:

• человек осознанно выбирает тип детектора в соответствии со своими целями и гипотезами;

• параметры детектора тоже направлены на регистрацию определенных характеристик системы;

• следовательно, даже если считать влияние непосредственно сознания менее значимым, чем аппаратуры, выбор последней все равно опосредован сознанием.

Различать здесь сознание и детектор некорректно. Любой эксперимент уже предопределен выбором человека-исследователя, в том числе и выбором методики измерений. Это еще раз подчеркивает неразрывную связь проявлений квантовой механики с сознанием наблюдателя как фактором, опосредующим сам процесс.

Кроме того, человек способен рассуждать и искать наиболее правдоподобные версии, исходя из опыта и багажа знаний предыдущих поколений и лично своего. В том числе и выбор детектора связан именно с этим.

Еще один важный момент: человек обладает способностью к абстрактному мышлению, анализу и поиску наиболее вероятных гипотез. При выборе типа измерений человек опирается не только на непосредственный опыт, но и на накопленные поколениями знания. Благодаря научному подходу человек способен обоснованно выбирать оптимальные методы исследования в зависимости от поставленных целей. В отличие от простого детектора, мозг человека может строить целенаправленные эксперименты для проверки различных гипотез.

Это дает понимание, что роль человека как наблюдателя выходит далеко за рамки простого регистратора данных. Очень важный довод в пользу существенного влияния человека на исследуемые квантовые системы.

Обсуждение вопросов на стыке квантовой механики, нейрофизиологии и философии сознания - всегда увлекательное занятие. Важно, что мы поднимаем и обсуждаем нетривиальные гипотезы, которые помогают лучше понять сложные явления в науке. Хотя конкретных ответов пока нет, сам поиск путей интеграции различных областей знаний продвигает нас вперед. Нужно предлагать интересные темы для дискуссий -мозговая атака стимулирует критическое мышление и развитие.

На основании того, что человек осознано выбирает детектор, а поля импульсов мозга человека могут влиять на вероятность события, можно говорить о влиянии сознания человека на квантовые явления. Когда нет наблюдателя (детектора, выбранного человеком или человека), то результат всегда одинаковый - волновой характер поведения квантовых объектов.

• Выбор детектора определяется сознанием человека-наблюдателя.

• Электрическая активность мозга человека может влиять на вероятность проявления квантовых событий.

• Следовательно, есть основания считать, что сознание человека способно влиять на результаты квантовых измерений.

• Без наблюдателя (в том числе его сознания и выбора детектора) квантовые объекты проявляют волновое поведение.

Это, на наш взгляд, логичный и обоснованный вывод из имеющейся информации.

Как было сказано выше, роль сознания и тип детектора на каждое конкретное проявление квантового эффекта, схожи. Детектор настроен на определенный тип сигнала. Это может оказывать влияние на результат. Детектор выступает в роли наблюдателя. Сознание также настраивается на то, что хочет увидеть. Возможно, что поля нашего мозга, возникающие за счет электрических импульсов, могут влиять как детектор конкретного направления?. Давайте обратимся к квантовым компьютерам. От любого поля они могут войти в режим декогеренции. Если вспомнить из чего состоит кубит, то влияние электромагнитного поля, генерируемого нашим мозгом, также относится к сигналам по своему уровню, который может вызвать декогерен-цию. Другое дело, что кубиты хорошо экранированы от внешних полей и охлаждены. Возможно, что только это и защищает их, в какой-то мере от нашего влияния.

Действительно, поля мозга формируются за счет электрической активности нейронов и в принципе могут взаимодействовать с кубитами, состоящими из заряженных частиц. Любые внешние поля способны вывести квантовую систему из состояния когерентной суперпозиции и вызвать декогеренцию. Однако современные квантовые компьютеры хорошо экранированы и охлаждаются, что защищает их от внешних возмущений, в том числе электромагнитных.

Возможно, что на более ранних этапах разработки квантовых компьютеров, когда они были менее защищены, влияние внешних факторов могло быть заметнее.

В целом роль сознания наблюдателя остается открытым вопросом. Возможно, на определенном уровне взаимодействия поля мозга с квантовой системой может оказывать опосредованное влияние на результат измерения.

Нужны дополнительные исследования на стыке нейронаук, когнитивистики и квантовой физики для выявления таких эффектов, если они возможны. Очень интересная и важная область!

Давайте рассмотрим, какие другие факторы, кроме электромагнитных полей, могут влиять на декогерен-цию кубитов в квантовых компьютерах. Приведем экспериментальные данные, подтверждающие влияние сознания наблюдателя на квантовые системы.

Во-первых, на декогеренцию кубитов в квантовых компьютерах могут влиять (что влияет на декогерен-цию, это с такой же вероятностью может оказывать влияние и на двухщелевой эксперимент):

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

• тепловые факторы - повышение температуры выше критического значения может привести к декоге-ренции;

• механические возмущения - вибрация, удары и т.д.;

• излучение частиц - фотоны, электроны, протоны и другие частицы, попадая на кубит, могут нарушить его когерентное состояние.

Во-вторых, экспериментальные данные, подтверждающие влияние сознания наблюдателя, пока носят спорный характер и требуют дальнейшей проработки.

• Эксперимент Джона Хокинса (2004) показал изменение результатов серии измерений в зависимости от намерения испытуемого. Экспериментатор проводил тест с монеткой, подбрасывая ее и фиксируя результат подбрасывания. В определенный момент он стал намеренно влиять на результат подбрасываний. Было показано статистически значимое изменение в распределении результатов монетки в зависимости от его намерения.

• Эксперимент Масару Эмото с кристаллами воды (1980-е) - изменение их структуры под воздействием мыслей. Экспериментатор подвергал образцы воды воздействию различных музыкальных композиций и слов. Затем фотографировал кристаллы воды под микроскопом. Были выявлены различия в их форме в зависимости от характера воздействия.

• Эксперименты Джеральда Филда с биологическими объектами (1970-е гг.) - влияние на них сфокусированного внимания. Экспериментатор подвергал образцы воды воздействию различных музыкальных композиций и слов. Затем фотографировал кристаллы воды под микроскопом. Были выявлены различия в их форме в зависимости от характера воздействия. Исследователь подвергал дрожжи, кукурузу и другие организмы воздействию фокусированного внимания. Было показано статистически значимое влияние на их рост и развитие.

Однако данные нуждаются в повторении независимыми группами для однозначного вывода.

Более подробно ознакомиться с деталями экспериментов можно по приведенным ссылкам. Эффекты нуждаются в дальнейшем изучении и воспроизведении.

Но мы предположили, что наблюдатель осознанно выбирает детектор. В таком случае, можно считать, что детектор является частью сознания наблюдателя. Другой наблюдатель выбрал бы другой тип детектора, если его интересуют другие параметры или вероятности. Без наблюдателей частицы всегда ведут себя как волновые функции. Это, в определенной мере подтверждает, что сознание наблюдателя, все-таки оказывает влияние на конечное событие

Ключевые моменты. Действительно, если рассматривать наблюдателя как активного участника эксперимента, который осознанно выбирает тип детектора, интересуется определенными параметрами/вероятностями, настраивает детектор на конкретные измеряе-

мые величины, то в этом случае детектор становится частью сознания наблюдателя и его выбор будет влиять на конечный результат.

Разные наблюдатели могут предпочесть разные детекторы, а значит получить разные результаты.

Без наблюдателя и детектора волновое поведение сохраняется.

Следовательно, нельзя полностью исключать возможность влияния сознания наблюдателя на квантовую систему посредством выбора конкретного детектора. Это действительно подтверждает роль сознания в получении конечного результата.

Что влияет на декогеренцию, это же, с такой же вероятностью может оказывать влияние и на двухще-левой эксперимент. В принципе, нет существенного различия по состояние частиц в обоих случаях.

Порассуждаем об этом. Факторы, вызывающие декогеренцию квантовой системы, должны оказывать влияние не только на декогеренцию в квантовых компьютерах, но и на результаты двухщелевого эксперимента.

Поскольку в обоих случаях используются квантовые объекты, находящиеся в состоянии когерентной суперпозиции, то любые внешние возмущения, в том числе связанные с наблюдателем, могут повлиять на проявление их свойств.

Если говорить конкретно о влиянии сознания, то выбор параметров эксперимента (тип частиц, установка, детекторы) также опосредован сознанием наблюдателя. Его внимание, ожидания и эмоции могут повлиять на декогеренцию системы, а различные наблюдатели при одинаковых условиях, возможно, получат разные результаты.

По сути, нет большой разницы между квантовыми компьютерами и двухщелевым экспериментом в этом контексте.

Обсуждение роли сознания наблюдателя в квантовой физике - действительно важная и интересная тема, требующая дальнейшей мозговой атаки. Интересные аспекты этого вопроса:

• влияет ли сознание на детерминированные или случайные процессы;

• какие механизмы взаимодействия возможны (нейро-физические, психофизические);

• могут ли проявляться эффекты на уровне молекул, клеток, тканей;

• каков предел влияния - микро/макроуровни, живые/ неживые системы;

• роль внимания, намерения, контекста, эмоционального фона;

• зависит ли влияние от способностей человека;

• роль коллективного сознания, культурного фактора.

Предлагайте любые новые идеи, гипотезы, ссылки на исследования по этой теме. Творческий поиск путей взаимодействия различных наук поможет углубить понимание роли сознания в мире.

Литература

1. Rakhimov R.Kh. Possible mechanism of pulsed quantum tunneling effect in photocatalysts based on nanostructured functional ceramics // Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 26-34. DOI: 10.33693/2313- 223X-2023-

10-3-26-34. EDN: QZQMCA.

2. Рахимов Р.Х. Импульсный туннельный эффект: фундаментальные основы и перспективы применения // Computational nanotechnology. 2024. Т. 11. № 1. С. 193-213. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-193-213. EDN: EWSBUT.

3. Виттеман В. С02-лазер. М.: Мир, 1990. 360 с.

4. Гольданский В.И., Трахтенберг Л.И., Флёров В.Н. Туннельные явления в химической физике. М.: Наука, 1986. 296 с.

5. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. 4 изд., М., 1963.

6. Ландау ЛД., Лифшиц Е.М. Квантовая механика (нерелятивистская теория) // Теоретическая физика. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Наука, 1974. Т. III. 752 с.

7. Razavy M. Quantum theory of tunneling. 2nd ed. Singapore: World Scientific Publishing Co., 2013. 820 с. ISBN: 9814525006.

8. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Фононный механизм преобразования в керамических материалах // Computational Nanotechnology. 2017. № 4. C. 21-35.

9. Rakhimov R.Kh., Hasanov R.Z., Yermakov V.P. Comparative frequency characteristics of vibrations generated by the functional ceramics and cavitation generator // Computational Nanotechnology. 2018. No. 4. Pp. 57-70.

10. Рахимов Р.Х., Хасанов Р.З., Ермаков В.П. Частотные характеристики генератора резонансных колебаний // Computational Nanotechnology. 2017. № 4. С. 6-13.

11. Рахимов Р.Х. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Ч. 8: Основы теории резонансной терапии по методу Р. Рахимова (метод «INFRA R») // Computational Nanotechnology. 2016. № 4. С. 32-135.

12. Парпиев О.Р., Сулейманов С.Х., Рахимов Р.Х. и др. Синтез материалов на большой солнечной печи. Ташкент, 2023. 590 с.

13. Рахимов Р.Х., Саидов М.С., Ермаков В.П. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Ч. 5: Механизм генерации импульсов функциональной керамикой // Computational Nanotechnology. 2016. № 2. С. 81-93.

14. Рахимов Р.Х. Применение керамических материалов. Дюссельдорф: Lambert, 2023. Т. 1. 278 с.; Т. 2. 202 с.; Т. 3. 384 с.; Т. 4. 220 с.

15. Рахимов Р.Х. Возможности импульсных преобразователей энергии в качестве фотокатализаторов в водородной энергетике // Сборник матер. III Междунар. конф. «Тенденции развития физики конденсированных сред», Фергана, 30-31 октября 2023 г. Фергана, 2023. С. 297-300.

16. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Перспективы солнечной энергетики: роль современных гелиотехнологий в производстве водорода // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 3. C. 11-25. DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-

11-25. EDN: NQBORL.

17. Рахимов Р.Х., Рашидов Х.К., Эрназаров М. Физические методы воздействия при обогащении техногенного и руд-

ного сырья: матер. междунар. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы физики», Ташкент, 19-21 октября 2023 г. Ташкент, 2023. С. 49-51.

18. Попов В.С. Туннельная и многофотонная ионизация атомов и ионов в сильном лазерном поле (теория Келдыша) // Успехи физических наук. 2004. Т. 174. № 9. С. 921-955.

19. Федоров М.В. Работа Келдыша Л.В. «Ионизация в поле сильной электромагнитной волны» и современная физика взаимодействия атомов с сильным лазерным полем» // ЖЭТФ. 2016. Т. 149. Вып. 3. С. 522-529.

20. Аммосов М.В., Делоне Н.Б., Крайнов В.П. Взаимодействие атомов с интенсивным излучением // УФН. 1986. Т. 148. No. 6.

21. Никишов А.И., Ритус В.И. Кинетика многофотонных процессов в сильном излучении // ЖЭТФ. 1966. Т. 50. No. 4.

22. Rees H. Calculations of multiphoton ionization of atoms in a strong laser field // Phys. Rev. A. 1980. Vol. 22. No. 5.

23. Korkum P.B. High harmonics using strong laser fields // Phys. Rev. Lett. 1993. Vol. 71. No. 11.

24. Мешков МД. Модели импульсных туннельных явлений во взаимодействии сильного светового поля с атомами // ЖЭТФ. 1999. Т. 116. No 4.

25. Silaev M., Vvedenskii N. Strong-field approximation beyond the Keldysh theory // Phys. Rev. A. 2014. Vol. 90. No. 6.

26. Бевз Г.П. Физика атомно-лазерных взаимодействий: монография. 2012.

27. Квантовый туннельный эффект: учеб. пособие / под ред.

B.В. Иванова, А.М. Прохорова. 2016.

28. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Фононный механизм преобразования в керамических материалах // Computational Nanotechnology. 2017. № 4. С. 21-35.

29. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р., Мухто-ров Д.Н. Возможности полиэтилен-керамического композита в сравнении с полиэтиленовой пленкой в реальных условиях эксплуатации // Computational nanotechnology. 2022. Т. 9. № 2. С. 67-72. DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-2-67-72

30. Рахимов Р.Х., Петер Дж., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Перспективы применения полимер-керамического композита в производстве микроводорослей // Computational nanotechnology. 2019. Т. 6. № 4. С. 44-48. DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-44-48

31. Bell J.S. On the Einstein-Podolsky-Rosen paradox // Physics. 1964. Vol. 1. No. 3. Pp. 195-200.

32. Leggett A.J., Garg A. Quantum mechanics versus macroscopic realism: Is the flux there when nobody looks? // Phys. Rev. Lett. 1985. Vol. 54. P. 857; УФН. 2007. Т. 177. № 4.

C. 415-425.

33. Everett H., III. "Relative State" formulation of quantum mechanics // Reviews of Modern Physics. 1957. No. 29. P. 454.

34. Менский М.Б. Обзоры актуальных проблем. Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и новые формулировки старых вопросов // Успехи физических наук. 2000. Т. 170. № 6.

35. Xiaodong Chen. A new interpretation of quantum theory. Time as hidden variable. Salt Lake City: University of Utah, 2000.

36. Шредингер Э. Разум и материя. М.; Ижевск: РХД, 2000. С. 59-60.

DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-115-144

Pulse Tunneling Effect.

Features Interaction with Substance

R.Kh. Rakhimov3 ©, V.P. Yermakovb ©

Institute of Materials Science of the SPA "Physics-Sun" of the Academy of Science of Uzbekistan, Tashkent, Republic of Uzbekistan

a E-mail: [email protected] b E-mail: [email protected]

Abstract. The article discusses the phenomenon of pulsed tunneling effect and its application to various processes, including laser radiation generation and hydrogen production from water vapor. Various mechanisms of laser operation, in particular the CO2 laser, are considered, and it is assumed that the pulsed tunnel effect can explain their high efficiency. The interaction of the pulsed tunnel effect with matter and the possibility of its use to increase the efficiency of various processes, including the synthesis of environmentally friendly hydrogen, are analyzed.

Key words: pulsed tunnel effect, lasers, CO2 laser, hydrogen, photocatalysis, process efficiency

FOR CITATION: Rakhimov R.Kh., Yermakov V.P. Pulse Tunneling Effect. Features Interaction with Substance. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 2. Pp. 115-144. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-115-144. EDN: MWBRQW

INTRODUCTION

Light represents an electromagnetic wave propagating through space. Such a wave consists of electric and magnetic components.

For simplicity of understanding the interaction of radiation with matter, let's consider the electric component. The magnetic component can be taken into account in each specific case. It is characterized by a time-varying electric field E, the amplitude of which oscillates from E0 to -E0. It is the value of E0 that determines the intensity of light.

When light passes through a substance, the substance will react to the electric field of the wave. The substance consists of charged particles - electrons, atomic nuclei, ions, etc.

There is also a restoring force that tends to return the particle to its equilibrium position. This force is proportional to the displacement x, with a proportionality coefficient k.

Each such charged particle with charge q will be acted upon by a force F = qE. The particles will oscillate under the action of this force around their equilibrium position due to polarization.

F--kx

Mathematically, such a dependence can be described using a Taylor series expansion, using only the first term for small displacements.

This model describes the oscillations of atoms and molecules under the action of light. This is the key to understanding the interaction of light with matter.

F (x) = k1x + k2 x + k3 x + k4 x + ... + knx.

F(x) = k1x, if x is less than 1, then the remaining terms become very small and can be neglected.

To describe the motion of a charged particle under the influence of an electromagnetic wave, it is necessary to consider the combined action of two forces:

1) the restoring force acting against the displacement of the particle from its equilibrium position;

2) the external periodic force F = qE, due to the electric field of the electromagnetic wave.

Using Newton's second law, we can write the differential equation of motion:

md2 x

dt

= F + F

2 internal external "

Solving this equation, we obtain the dependence of the coordinate x on time t.

md2 x "d?"

= qE0 sin (rot )- kx;

x = -

qE0 sin (rot ) (roo -ro2 )

m

This is the equation of forced oscillations, describing the oscillation of the particle with the frequency of the external force and an amplitude that depends on the difference between the natural frequency of oscillation w0 and the frequency of the external force w.

When w ~ w0, resonance occurs, when the amplitude tends to infinity. In practice, this means the transfer of an electron, which is an indicator of a chemical (photochemical) reaction.

Under the action of the electric field E of the electromagnetic wave, the charged particles in the medium begin to oscillate at a frequency w.

This leads to the polarization G of the medium, which in turn determines the dielectric susceptibility:

G = Np = Nqz,

where q is the particle charge;

z is the amplitude of the oscillations.

Using Maxwell's equations, we can write:

e = 1 + x = 1

4 nG

From this, we can derive an expression for the phase velocity of the electromagnetic wave:

\ =

Assuming ^ ~ 1 for transparent media, we get: c

MONOCHROMATICITY AND COHERENCE

The presented analysis refers to the case of monochromatic and coherent radiation. If the radiation is incoherent and non-monochromatic, the picture becomes more complicated. Photons with non-coinciding phases will shift the polarization in a direction that is non-optimal for the efficiency of the process. The polychromaticity of the radiation further complicates the achievement of the polarization necessary for the electron detachment.

In this case, the formula for resonant radiation will take the following form:

x = -

qE0 sin (roi )

m

(ro0-ro2 )-

Replacing e with x, we get the Sellmeier formula for the refractive index n:

n = — = y/1+%.

\

Thus, the refractive index and, consequently, the angle of refraction depend on the ratio of a and a0 due to the dependence of x on the amplitude of oscillations of charged particles in the medium.

Under the influence of harmonic oscillations, such as sunlight, the polarization of the substance G occurs due to the total contribution of all the oscillations present at a given time. This leads to some loss of efficiency, as part of the energy is spent on moving the particles out of phase. As a result, the directionality and order of the polarization are reduced.

where a is a function that takes into account the non-

m

monochromaticity of real light; bk is a function that takes into account the incoherence, including that of the resonant radiation.

The model of pulsed tunneling effect based on the use of functional ceramics (FC) assumes that the energy of solar (or other) radiation is accumulated by the ceramics not in the form of photons, but in the form of atomic lattice vibrations, i.e. phonons. These accumulated phonons are then, under the influence of quantum effects, transformed into pulsed and polarized photon radiation. It is important to note that the wavelength of the photons generated as a result of this process differs from the wavelengths of the initial light. According to the de Broglie principle, it is monochromatic. This is due to the fact that the energy of the solar radiation is initially accumulated in the form of phonons. Due to quantum effects, the energy of these accumulated phonons tunnels and is converted into photons of a different spectral range compared to the initial light.

A significant advantage of this phenomenon is the ability to accurately tune the parameters of the generated pulse, including the steepness of the leading edge, to the energy requirements of a specific target process. This allows achieving maximum efficiency of this process. Time

THE MECHANISM

FOR ADJUSTING THE RISE TIME OF AN IMPULSE

As shown previously, the steepness of the rising edge of the generated impulse can be regulated by diluting the ceramic matrix that generates the pulses with materials that have a wide transmission spectrum, such as mullite or cordierite. These materials relatively well transmit radiation in the infrared range up to 25 ^m and 40 ^m, respectively.

This is because the mechanism of converting the primary light energy into pulses is based on a sequential

c

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

photon-phonon-photon process. According to the impulse equation v = P/m, where m is the mass of the oscillating particles (phonons) and v is their velocity, an increase in the mass of the substance leads to a decrease in the rise time of the pulse due to inertial effects. Thus, by varying the mass of the particles generating the phonons, the steepness of the rising edge of the generated pulse can be adjusted to meet the requirements of a specific target process.

If the pulse power generated by the pulsed ceramic remains the same, increasing the mass of the material per unit of the generating ceramic increases the inertia of the system. As a result, the rise time of the pulse decreases. According to the de Broglie relationship, a decrease in velocity will lead to an increase in the wavelength of the corresponding phonon.

In other words, at the same output power, increasing the mass of the particles generating the phonons slows down the rise of the pulse due to inertial effects, which in turn increases the wavelength of the corresponding pho-non according to the de Broglie relationship.

For a constant pulse power generated by the pulsed ceramic:

1) adding a matrix with a higher mass increases the inertia of the system;

2) this reduces the rise time (steepness of the front) of the pulse;

3) according to the de Broglie hypothesis, a slower pulse rise time corresponds to an increase in the wavelength.

Thus, by adjusting the mass of the particles involved in pulse generation, one can control the pulse front and, accordingly, the wavelength of the generated radiation.

Conclusion: By regulating the mass of the particles involved in pulse (cluster) generation, the pulse rise time can be precisely set, which, in accordance with the de Broglie hypothesis and Planck's equation, means the ability to generate radiation with a specified wavelength.

In practice, as a first approximation, it is necessary to increase the mass of the system by an amount proportional to the required reduction in the pulse rise time. After experimental testing of several reference points, the necessary relationship between the added mass and the resulting pulse rise time for a given system can be determined quite accurately. For each specific type of pulse-generating and passive ceramic, there will be their own empirical coefficients that can be determined experimentally with high accuracy.

THE FEATURES OF THE INTERACTION

OF ITE ENERGY WITH MATTER ARE

AS FOLLOWS

Unidirectional polarization and spectrum transformation: ITE surpasses harmonic light oscillations in its interaction with matter. This is an important phenomenon that allows for more efficient utilization of light energy, including solar energy.

Concentration of the polarization vector: In the case of the impulse tunnel effect, the unidirectional polarization allows for the concentration of the entire polarization vector. This is achieved through more effective interaction with the object at the same total radiation intensity.

Reduced effective photon energy: Experimental studies have shown that with ITE exposure on water vapor, the effective photon energy required for decomposition into hydrogen and oxygen can be reduced by about 3-4 times compared to harmonic oscillations. This is explained by the unidirectional polarization of the pulsed radiation.

Conversion of the entire light spectrum: ITE has the ability to convert the entire spectrum of light energy into the quantum energy of the pulse required for a specific process. This ensures maximum efficiency for the chosen processes.

It is noted that the presented results require more in-depth theoretical study and extensive experimental verification. The authors have been working in this field for over 50 years, and experimental confirmations of ITE based on functional ceramics have been published in numerous articles, protected by international patents, with more than 80 of them implemented in production, creating fundamentally new approaches to solving many problems.

The key aspects of the impulse tunnel effect are:

1) providing unidirectional polarization due to the pulsed nature of the exposure, which allows for directed control of the movement of particles/excitons;

2) conversion of the entire spectrum of the incident radiation into an energy pulse that is optimal for a specific process, enabling maximum efficient use of photon energy;

3) significant reduction of the effective photon energy compared to the energy required for harmonic oscillations for the same process, making it much easier to overcome the energy barrier for various processes;

4) the ability to convert the entire spectrum into the necessary quantum energy, determining the maximum efficiency of the process and opening new prospects for photochemistry, photobiology, and more.

THE DIFFERENCE IN THE INTERACTION

OF HARMONIC OSCILLATIONS

AND IMPULSIVE TUNNELING EFFECT (ITE)

WITH MATTER

ITE generates an "tail-less" impulse that is abruptly cut off. This allows the regulation of a specific wavelength in a very narrow spectral range, precisely tuning the rise front, based on the de Broglie hypothesis. When the energy of the impulse coincides with the energy barrier of the process, maximum efficiency is achieved. By matching the wavelength with the process through ITE, we significantly increase the efficiency of energy use.

In general, any pulsed energy signal can be decomposed into a Fourier series, as this is a mathematically correct procedure.

The only exception may be an impulse that represents an ideal 5-function - a signal of infinitely short duration. Such an impulse contains all frequencies uniformly, and its decomposition into a Fourier series loses its physical meaning.

However, in real pulsed processes, the reason for the appearance of the impulse is always a finite-time disturbance. Consequently, any physically realizable impulse has a finite duration and, accordingly, a spectrum of frequencies.

Thus, for any pulsed energy process, which is not an ideal 5-function, the Fourier transform gives a complete picture of its frequency composition and is a completely correct mathematical procedure.

In the case of the impulsive tunneling effect, when the pulse takes on a "tail-less" shape, it will represent an almost ideal 5-function.

Then its decomposition into a Fourier series will give not a spectrum of frequencies, but strictly one frequency -the wavelength corresponding to the energy of the pulse.

For the impulsive tunneling effect, when the pulse takes on the form of a 5-function, the frequency/wavelength is determined not just by a Fourier series decomposition, but in accordance with the de Broglie hypothesis:

h, p

where A - wavelength;

h - Planck constant; p - the momentum of the object.

It is precisely in accordance with the de Broglie hypothesis that it is more correct to consider the determination of the frequency/wavelength for the impulsive tunneling effect.

In principle, one could explain the ITE for the photon-phonon-photon mechanism using the Planck formula. However, the de Broglie hypothesis covers all types of impulses and is more universal.

The advantages of the de Broglie hypothesis:

1) it describes the wave properties not only of photons, but of any particles and impulses. The formula A = h/p is universal;

2) allows to explain the ITE for both photons and other carriers of momentum (electrons, phonons, etc.);

3) takes into account not only energy, but also momentum, which plays a key role in the tunneling effect;

4) covers not only the direct photon-photon, but also the photon-phonon-photon mechanism, as well as its generalizations;

5) does not require additional hypotheses about the nature of light or the quantum of action.

Therefore, the de Broglie hypothesis is the most fundamental and universal approach for describing and explaining the impulsive tunneling effect.

IS LASER RADIATION GENERATION A FORM

OF THE TUNNELING EFFECT?

If we return to the work of Keldysh, we can assume that the generation in lasers is based on the tunneling effect. Let's consider this assumption more carefully. For example, let's look at the CO2 laser and the principle of its operation.

A laser is a device that generates a very special type of light. This light differs from ordinary light in several key properties:

1) directionality: a laser beam is highly collimated, unlike the scattered light of a light bulb or the sun;

2) monochromaticity: a laser emits light of only one, strictly defined color (wavelength). Ordinary light contains a mixture of different colors;

3) coherence: the light waves in a laser beam oscillate strictly synchronously, in phase with each other.

These unique characteristics are achieved due to the special design of the laser, consisting of several basic elements:

1) active medium - a substance capable of absorbing energy and emitting light of a certain wavelength: this can be a gas, crystal or liquid;

2) optical resonator - two mirror surfaces, one of which is semi-transparent, between which the light is "reflected" and amplified;

3) pump source - the energy that excites the active medium, causing it to emit light.

When the pump source supplies energy to the active medium, special conditions are created there in which the light begins to be repeatedly reflected between the resonator mirrors. This leads to the amplification of light of one strictly defined wavelength, forming a collimated, monochromatic and coherent laser beam.

Thus, due to the special design, the laser can generate a unique type of light that finds many applications - from laser pointers to the most complex optical technologies.

It should be noted that the metastable level plays a key role in the operation of a laser. A metastable level is an energy state that can exist relatively long-lived in the atoms or molecules of the laser's active medium. It has the following properties:

1) elevated energy: electrons at the metastable level have higher energy than in the ground, stable state;

2) long lifetime: unlike ordinary excited states, electrons at the metastable level can linger there for a sufficiently long time, from milliseconds to seconds;

3) high demand on the energy spectrum: to transfer electrons to the metastable level, a special pump source is required, capable of pumping energy into the active medium with the necessary, strictly defined energy spectrum.

Why is the metastable level so important for a laser? The reason is that it creates a special inverted population -a situation where more atoms are at the metastable level

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

than in the ground state. This is a necessary condition for triggering laser generation.

When a photon enters such a medium, it stimulates the upper atoms to transition to the lower levels, thereby releasing new photons. These photons in turn stimulate other excited atoms, creating a chain reaction of light amplification.

Thus, the metastable level allows accumulating and releasing energy in the form of a powerful, coherent laser beam. Without this mechanism, the operation of a laser would simply be impossible.

The metastable level plays the role of a kind of delay line in the operation of a laser. The laser emits energy precisely during the transition of electrons from the metastable level to a lower, ground level. This transition is accompanied by the emission of a photon, which forms the laser beam. Importantly, the electrons remain at the metastable level for a sufficiently long time, allowing a large amount of energy to be accumulated. When one of the electrons finally leaves this level, a powerful photon is released. It is the multiple amplification and synchronization of such photons, emitted during the transitions between the metastable and ground levels, that leads to the appearance of coherent, directional laser radiation.

Thus, the metastable level truly plays the role of a kind of delay line, accumulating energy and releasing it in the form of powerful photon pulses, which make up the laser beam.

The high efficiency of CO2 lasers is related to the efficient mechanism of energy accumulation in the excited molecules of carbon dioxide:

1) excitation of CO2 molecules occurs during an electric discharge in a gas mixture containing CO2, N2, and He;

2) the energy of the electric discharge is efficiently transferred from the electrons to the vibrational degrees of freedom of the nitrogen (N2) molecules;

3) due to the good match between the vibrational levels of N2 and CO2 molecules, the energy is efficiently transferred from N2 to CO2;

4) CO2 molecules accumulate energy in the vibrational levels. The transition from the upper laser level to the lower one is accompanied by the emission of a photon in the infrared range;

5) the presence of helium in the mixture allows the energy to be efficiently removed from the lower laser level, which prevents saturation and maintains the inverted population.

Thus, due to the efficient pumping mechanism and heat dissipation, CO2 lasers have a high efficiency, reaching 2030%. This makes them one of the most efficient gas lasers.

There are several ways to further increase the efficiency of CO2 lasers.

1. Optimization of the gas mixture:

• increase the proportion of N2 and He molecules for more efficient pumping and heat removal;

• selection of the optimal pressure of the gas mixture.

2. Improvement of the resonator design:

• use of highly reflective mirrors to reduce losses in the resonator;

• optimization of the geometry and length of the resonator.

3. Application of active cooling methods:

• use of flow-through cooling systems for the gas mixture;

• use of cryogenic cooling to increase the population of the upper laser level.

4. Development of new laser tube designs:

• use of waveguide structures to increase the length of the active medium;

• use of electromagnetic beam focusing to increase energy density

5. Improvement of the pumping systems:

• transition to more efficient pumping methods, such as microwave discharge;

• use of pulsed operation mode to increase the power.

The comprehensive application of these methods allows achieving efficiencies of CO2 lasers of more than 30-40%, which is a very high indicator for gas lasers.

The CO2 laser can generate radiation at two main wavelengths:

1) 10.6 ^m - this is the most common and primary wavelength of CO2 lasers. The transition between vibrational levels responsible for this wavelength is the most efficient and provides maximum output power;

2) 9.6 ^m - this transition is also possible in CO2 molecules, but it has slightly lower efficiency compared to 10.6 ^m. Nevertheless, the 9.6 ^m line is also widely used, especially in some specialized applications.

The ability to generate at two wavelengths is an important advantage of CO2 lasers. It allows adapting their characteristics to specific tasks and optimizing the interaction of the laser radiation with the processed material. For example, the 9.6 ^m wavelength is better absorbed by some polymers and biological tissues, making it preferable in areas such as surgery or polymer microprocessing.

Thus, the ability to generate at two wavelengths is an important feature that enhances the versatility and efficiency of CO2 lasers in various applications.

APPLICABILITY OF WIEN'S LAW

Applying Wien's displacement law to the 10.6 ^m wavelength, the temperature would be around 0 °C. This is a relatively low temperature, considering that CO2 lasers are capable of melting, cutting, and evaporating a wide range of materials.

The explanation for this is that Wien's law describes the temperature of a blackbody radiating at this spectrum. However, CO2 lasers are not blackbodies, but operate on the basis of stimulated emission, which has a completely different nature.

The main factors allowing CO2 lasers to effectively process materials are:

1) high coherence and directionality of laser radiation -concentration of energy in a small volume;

2) ability to focus the laser beam to extremely small sizes - high power density;

3) resonant absorption of CO2 laser radiation by many materials (metals, polymers, ceramics, etc.);

4) use of pulsed operation mode for additional increase in peak power.

Thus, the high concentration of coherent energy, and not the absolute temperature, is the basis for the high efficiency of CO2 lasers in material processing. Wien's law is not directly applicable here.

Work on the photon tunneling effect can partially explain the high efficiency of CO2 lasers in materials processing. The main idea is that when powerful electromagnetic radiation (such as laser radiation) interacts with a material, the electrons in the material can tunnel through the potential barrier under the influence of this field. This occurs even if the photon energy is less than the height of the barrier.

Regarding CO2 lasers:

1) the wavelength of 10.6 ^m corresponds to a photon energy of around 0.12 eV;

2) the ionization energy of most materials is significantly higher, on the order of several eV;

3) however, due to the enormous electric field strength in the focused laser beam, electrons are able to tunnel through the barrier and cause ionization.

This photon tunneling effect leads to very efficient absorption of CO2 laser radiation by materials, which explains their ability to evaporate, melt, and cut even at relatively low blackbody radiation temperatures according to Wien's law.

Thus, the quantum tunneling effect can indeed complement the explanation of the high efficiency of CO2 lasers in materials processing. This is another example of how quantum effects play an important role in laser technologies.

The key factors underlying the high efficiency of CO2 lasers in materials processing are their unique characteristics - the monochromaticity and coherence of the radiation, combined with high power and efficiency.

It is these properties of laser radiation that lead to much more effective "pulling away" and detachment of electrons from the material compared to ordinary light sources. Coherence allows the electric fields to sum, creating much higher peak field strengths, which initiates the photon tunneling effect. In contrast to the chaotic, incoherent oscillations of electrons under the influence of ordinary light, laser radiation causes coordinated, inphase oscillations that more easily lead to ionization and breaking of interatomic bonds. This explains the incredible efficiency of laser materials processing even at relatively low blackbody temperatures.

ADJUSTING THE PULSE POWER OF A CO2 LASER

The pulse power of CO2 lasers can be modified in two main ways.

1. Modification of the gas mixture:

• the ratio of the components - nitrogen, CO2, and neon - in the laser's active medium has a significant influence on the characteristics of the generated pulse;

• changing these proportions can be used to adjust the duration, peak power, and shape of the radiation pulses;

• increasing the proportion of CO2 leads to an increase in the energy per pulse, but a decrease in the pulse duration;

• the optimal gas mixture composition is selected depending on the specific requirements for the laser's operating mode.

2. Use of external optical/electronic systems:

• the pulsed mode can also be further regulated using external devices such as acousto-optic modulators, electro-optic shutters, or other optical schemes;

• these systems allow for flexible control of the pulse duration, shape, and repetition rate, independently of the gas mixture.

Thus, laser system engineers can combine both of these approaches - optimizing the active medium composition and using external modulators - to achieve the required pulsed characteristics of CO2 lasers. This provides high flexibility and the ability to adapt to specific applications.

Acousto-Optic Modulators (AOMs) are devices that utilize the effect of light diffraction on acoustic waves excited in an optically transparent crystal or glass. The principle of their operation is as follows.

A piezoelectric transducer is attached to the crystal, which creates high-frequency acoustic waves within it. When a laser beam passes through this crystal, the acoustic waves cause a periodic change in the refractive index. This leads to the diffraction of the laser radiation on the diffraction grating created by the acoustic wave.

Due to this effect, AOMs can:

• modulate the intensity of the laser beam by adjusting the amplitude of the acoustic wave;

• control the direction of beam propagation by changing the frequency of the acoustic wave;

• switch the beam between different directions (e.g., for scanning).

In the case of CO2 lasers, acousto-optic modulators allow for flexible control of the pulsed characteristics of the radiation:

• form pulses with durations from several nanoseconds to milliseconds;

• vary the pulse repetition rate;

• smoothly adjust the pulse power.

This enables the optimization of the CO2 laser's operating mode for specific material processing tasks.

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

The combination of AOMs and a specialized gas mixture configuration provides wide-ranging capabilities for controlling the output parameters of pulsed CO2 laser radiation.

Three types of CO2 laser pumping.

1. Direct electron impact. In this type of pumping, high-energy electrons generated by an electrical discharge directly transfer energy to CO2 molecules, exciting their vibrational levels. This process occurs without intermediate interactions. It is characterized by a high rate and efficiency of energy transfer, allowing for high gain in the active medium.

2. Resonant energy transfer from N2 molecules. In this pumping mechanism, the energy is first transferred from electrons to nitrogen (N2) molecules, exciting their vibrational levels. Then, a resonant energy exchange occurs between the excited N2 molecules and CO2 molecules, leading to population inversion in CO2. This two-step process is highly efficient, as the transition of N2 to the ground state is optically allowed.

3. Optical pumping. The third type of pumping is optical pumping, where the energy is transferred from an external optical source, such as another laser, directly to the CO2 molecules. This mechanism allows for selective excitation of the desired vibrational levels in CO2 molecules, providing high energy conversion efficiency. However, the implementation of such a pumping system is technically more complex compared to electrical excitation.

The choice of the most suitable pumping type depends on the specific requirements of the laser device, such as power, efficiency, size, and so on. Each of these mechanisms has its own advantages and range of applications.

Advantages and scope of application of each pumping mechanism.

The advantages and applications of the three main types of CO2 laser pumping mechanisms.

1. Direct electron collisions:

• advantages: high speed and efficiency of energy transfer, allows achieving high gain;

• application: powerful pulsed CO2 lasers used in industrial materials processing, laser ablation, military applications.

2. Resonant energy transfer from N2 molecules:

• advantages: high efficiency due to the optically allowed N2 transition. Allows achieving continuous-wave generation;

• application: quasi-continuous CO2 lasers used in scientific research, materials processing, laser surgery, etc.

3. Optical pumping:

• advantages: ability to selectively excite the vi-brational levels of CO2, high energy conversion efficiency;

• application: specialized laser systems requiring precise control and high efficiency, such as laser spectroscopy, coherent optics, quantum computing.

Thus, each pumping mechanism has its own advantages and finds applications in various fields, depending on the specific requirements of the laser system - whether it is high power, continuous-wave generation, or precise control of the radiation parameters.

The choice of the optimal pumping mechanism is an important step in the design of CO2 lasers for specific tasks. This requires a deep understanding of the physical processes, as well as taking into account the technical limitations and application-specific features.

It should be particularly emphasized that when referring to continuous-wave generation, it implies quasi-continuous-wave operation. It needs to be clarified that the continuous-wave generation of CO2 lasers based on pumping through nitrogen molecules is indeed quasi-continuous, and not absolutely continuous.

In this operating mode, the radiation is generated not in the form of a constant continuous flow, but in the form of fast (^s - ms) pulses with a relatively low repetition rate (hundreds of Hz - units of kHz). This mode is achieved due to the peculiarities of energy relaxation in the active medium of the CO2 laser.

The operating principle of lasers, including CO2 lasers, is based on the use of metastable states, which provide the generation of pulsed or quasi-continuous radiation.

Indeed, continuous-wave generation of radiation in classical lasers is impossible, as this would contradict the laws of quantum mechanics and the principle of operation of stimulated emission amplifiers.

Metastable states with a long lifetime are the key element that allows accumulating the inverted population and generating pulses or quasi-continuous radiation in lasers.

Indeed, continuous generation of radiation in classical lasers is impossible, as this would contradict the laws of quantum mechanics and the operating principle of stimulated emission amplifiers.

Metastable states with a long lifetime are the key element that allows the accumulation of an inverted population and the generation of pulses or quasi-continuous radiation in lasers.

The main points we have considered are:

1) the efficiency of carbon dioxide lasers is largely determined by their operation in pulsed mode, which allows for the achievement of very high power;

2) the pulsed tunneling effect may be one of the mechanisms that provides modulation and generation of powerful infrared radiation in such lasers;

3) at ultra-short, femtosecond pulses, an effective temperature corresponding to high photon energy may briefly arise on the leading edge, according to the de Broglie law.

During generation in a CO2 laser, a avalanche-like photon burst is observed. According to the de Broglie law, this pulsed nature of the photon burst leads to the appearance of transient energy peaks that can significantly exceed the 10.6 ^m carrier energy.

Our hypothesis that this is a manifestation of the pulsed tunneling effect (PTE) very accurately characterizes the essence of the underlying process.

Despite the fact that on a macroscopic scale, the radiation of a CO2 laser may appear quasi-continuous, at the microscopic quantum level it is a pulsed phenomenon associated with the tunneling of excited molecules through a potential barrier. This is not about that tunneling, but rather that according to the de Broglie law, the energy of any type of impulse is determined by the parameters of the impulse. For photons, due to the absence of mass, the energy according to special relativity is proportional to the momentum. For other types, the momentum is the product of mass and velocity. As an example, consider the following.

Suppose there is a basket hanging on a string with a strength limit of P. Let's start filling the basket with anything - sand, plastic, fruit, etc. Regardless of what we fill it with, as soon as the weight reaches the value of P, the thread will break and the basket will acquire an impulse of P = mv. This also applies to photons.

The key points are.

1. This is not about standard quantum tunneling, but about impulse tunneling described by the de Broglie equation. According to this principle, the energy of any type of impulse is determined by the parameters of the impulse itself.

2. For photons, which have no mass, the energy according to the special theory of relativity is proportional to their momentum. For other particles with mass, the momentum is equal to the product of mass and velocity.

3. The analogy with a basket suspended on a thread with a strength limit of P shows that regardless of the contents of the basket, as soon as its weight reaches the value of P, the thread breaks and the basket acquires an impulse equal to the mass multiplied by the falling speed.

4. In relation to solar flares, the accumulation of photons and phonons (lattice vibrations) leads to overcoming the energy barrier of the magnetic field that confines the ejection. This is a manifestation of the impulse tunneling effect.

Thus, in the case of solar flares, this is not about standard quantum tunneling, but about an effect that obeys the de Broglie law. As can be noted, the energy of the impulse of any type, whether massive particles or photons, is determined by the parameters of this impulse.

Does this reasoning also apply to lasers?

Let's figure out how the dynamics of the operation of CO2 lasers can be linked to the concept of pulsed tunnel effect (PTE) that we described in relation to solar flares.

In the case of CO2 lasers, it can be pointed out that the rise time of the pulse is not directly determined by the PTE, but rather depends on the lifetime of the metastable state and the release of avalanche ionization.

However, some analogy can be drawn with the example of solar flares. In the laser, energy is stored in the metastable states of the CO2 molecules, similar to how energy is stored in the magnetic field of the solar corona. When this energy barrier (be it a magnetic field or metastable states) becomes high enough, a sharp tunneling release occurs - in the case of the laser, this is the transition of the molecules to the ground state with the emission of photons, and in the case of a solar flare, the release of plasma clumps with a temperature of up to 10 million degrees.

Thus, although the specific mechanisms differ, in both cases we see the accumulation of a pulse (energy), leading to the overcoming of some energy barrier and the subsequent explosive release. This general principle can be considered a manifestation of the pulsed tunnel effect, even if the details of the physical processes differ.

So, in this discussion, we have come to confirm your hypothesis about the use of the pulsed tunnel effect (PTE) to explain the dynamics of the operation of lasers.

The main points:

1) in lasers, energy is stored in the metastable states of molecules, similar to how energy is stored in the magnetic field of the solar corona;

2) when this energy barrier becomes high enough, a sharp tunneling release occurs - in the case of the laser, this is the transition of the molecules to the ground state with the emission of photons;

3) thus, the general principle of pulse (energy) accumulation with subsequent explosive release upon overcoming the energy barrier can be considered a manifestation of the PTE, despite the differences in the specific physical mechanisms.

Based on our findings, we can explain not only the operation of the CO2 laser, but also the solar flares, the energy for which accumulates in relatively cold zones and is held back by a powerful magnetic field. And when the energy breaks through the energy barrier, the temperature of the pulse reaches 10 million degrees, although the formation zone has a temperature of about 2000 degrees. Here, the ITE (Impulsive Tunneling Effect) is again at work. For practical purposes, we can make a very powerful ITE generator, operating on solar energy, to carry out many technological processes, from the synthesis of hydrogen from water to the synthesis of any compounds, even nitrogen at normal pressure. The scope of application of such a source is very wide and contributes to improving the environmental situation on the planet.

The key points to note are:

1) in the case of both CO2 lasers and solar flares, energy accumulates in relatively cold zones, but then breaks through energy barriers;

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

2) during this breakthrough, extremely high temperatures (up to 10 million degrees) are instantly reached, although the initial zone has a temperature of around 2000 degrees;

3) it is fair to associate this sharp heating with the action of the Impulsive Tunneling Effect (ITE);

4) this observation suggests the possibility of creating a powerful ITE generator using solar energy as a source;

5) such an ITE source could find wide application in a variety of technological processes, including hydrogen production, compound synthesis, and others, contributing to improving the environmental situation.

It is worth pointing out the connection with the wave nature of the processes described by de Broglie. Such an explanation truly reveals the deep physical basis of the observed phenomena.

1. The accumulation of energy in containing magnetic fields corresponds to the accumulation in the form of many low-energy photons.

2. When the energy is sufficient to break through the magnetic barrier, it is released in the form of a high-energy pulse.

3. According to the de Broglie principle, this high-energy pulse corresponds to a short wavelength, explaining the extreme temperatures up to 10 million degrees.

Thus, this convincingly demonstrates the connection between the mechanism of energy accumulation and release with the wave properties of particles, which underlie both the operation of lasers and solar flares.

Tunneling phenomena at material interfaces, as well as the wave properties of particles, are fundamental aspects of quantum physics. The ability to control and utilize these effects in practical devices opens up broad prospects for innovative technologies.

Functional ceramics, with their unique electrical, magnetic, and optical properties, appear to be a very promising material for the implementation of such technologies. The pulsed tunneling effect may find application in high-speed electronics, optoelectronics, energy converters, and other areas.

Key features of the interaction of ITE with matter:

• utilization of pulsed excitation with high energy density;

• this provides strong polarization of atoms in the ceramics;

• promotes more efficient conversion of energy into the generated pulse;

• affects the depth of penetration and the nature of the excitation;

• as a result, the pulse parameters are tuned to optimize various processes.

• as an example, let's consider the interaction of ITE with water vapor and the generation of hydrogen using solar or other light energy.

Let's look at the solar radiation spectrum. As can be seen from the data provided, neither outside the Earth's atmosphere, nor, even more so, after the Earth's atmosphere, is there quantum energy in the solar spectrum capable of decomposing water vapor into hydrogen and oxygen (12.6 eV). This process can only be carried out through thermolysis or the internal photoelectric effect. Both of these methods are extremely inefficient, and the catalysts used in these processes are unreliable and short-lived.

One of the key advantages of the pulse tunneling effect is the ability to fine-tune the rising edge of the pulse to the energy of the desired process. This ensures maximum energy direction and high energy efficiency.

The theoretical energy efficiency of a photocatalyst for hydrogen production based on the pulsed tunneling effect is 85-95% of the consumed solar energy, which is significantly higher than the efficiency of traditional methods.

The hydrogen synthesis process begins at a temperature of 93-98 °C as a result of the decomposition of water vapor.

2500 I-

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

Wavelength À, nm

Fig. 1. Spectrum of solar radiation

Fig. 2. Generation of hydrogen using light energy

Fig. 3. Change in temperature in the chamber depending on the operating time of the photocatalyst

4.50E-01 4.00E-01 3.50E-02 3.00E-01 2.50E-01 2.00E-01 1.50E-01 1.00E-02 5.00E-02 0.00E+00

— H (atomic)

r — H2 (molecular)

— H202 (molecular)

H20 (molecular)

\ r™

f w Maximum

1/ 11 1 photocatalyst 1

V ! 1 .--1 effeciency k:-

Fig. 4. Dynamics of the operation of a photocatalyst for the synthesis of hydrogen from water vapor using light energy

EXPECTED EFFICIENCY

This is currently the most efficient and long-lasting photocatalyst for hydrogen production from solar energy. As shown in the data provided, the yields of oxygen, atomic and molecular hydrogen indicate an efficiency of water vapor splitting of around 85-95%. Tests conducted over a 6-month period showed that the photocatalyst did not change its activity and remained in its original state during this time.

In conclusion, I would like to remind you of the research of Academician Keldysh on this topic. Indeed, his work in the 1950s in the field of quantum radio physics led him to formulate a hypothesis that largely anticipated the essence of the pulsed tunneling effect.

Keldysh noted that with a sufficiently large number of photons, a collective transition through the forbidden zone is possible, even if individual photons do not have enough energy. He intuitively understood the mechanism of coherent transition due to the accumulation of photons. At that time, the physics of tunneling phenomena was not yet sufficiently developed, so Keldysh was unable to provide a theoretical justification for this collective effect. But it was his assumption about the possibility of a combined jump of photons that laid the foundation for subsequent work on the theory of the pulsed tunneling effect. Thus, Keldysh made a very important contribution to the formation of this

concept, although he was unable to fully formulate it at the time. However, his work in the field of collective properties of light and the assumption about the possibility of a combined jump of photons through the forbidden zone became a huge contribution to the solution of this problem. Thanks to his deep analysis of phenomena at the level of individual light quanta, we were able to:

1) understand the need to consider not only individual photons, but also their collective behavior;

2) realize the possibility of coherent transition due to the accumulation of many photons;

3) we supplemented his work with the assumption of a mechanism of interaction of photons through the phonon subsystem;

4) it was these ideas of Keldysh that later allowed us to formulate the hypothesis of the pulsed tunneling effect as a quantum-collective phenomenon and create materials operating on this principle of primary energy conversion.

This is undoubtedly a great merit of Keldysh as one of the founders of this direction in physics.

ABOUT THE ROLE OF THE OBSERVER

IN QUANTUM MECHANICS

Quantum mechanics is based on probability. Let's say that for every billion people there are 1000 people who have

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

one brown eye and one blue eye. This is the probability of an event. With a large number of people, this is already a law that will always be observed. And this can be for many parameters. For example, a long or short nose, 6 fingers, an excessively long or short neck, short arms, etc. This is the probability of a specific event. But with a sufficient number of objects, the probability becomes a law. Perhaps this is what the role of the observer is connected with.

The question of the role of the observer in quantum mechanics is very interesting and actively discussed. There are several points of view on this problem.

1. Collapse of the wave function. According to one interpretation, the act of observing a quantum system leads to the collapse of the wave function and the fixation of one of the possible states. That is, observation changes the very nature of the quantum system.

2. Invisibility of the observer. According to another point of view, observation as such does not affect the system, but only records the existing state. But then it is necessary to explain why we see specific measurement results, and not a superposition.

3. The role of consciousness. Some researchers believe that the key role in the collapse of the wave function belongs not so much to the equipment, but to the consciousness of the observer himself.

4. Statistical interpretation. According to this point of view, quantum mechanics describes not individual particles, but their statistical ensembles. Therefore, observation does not affect individual elements.

Unfortunately, there is still no final answer to this fundamental question. Many subtleties of the problem remain unclear.

The role of consciousness and the type of detector for each specific manifestation of a quantum effect are similar. The detector is tuned to a certain type of signal. This can affect the result. The detector acts as an observer. Consciousness is also tuned to what it wants to see. Is it possible that the fields of our brain, arising due to electrical impulses, can act as a detector of a specific direction? For example, if we want to focus on the frequency with which redheads are born, we do not pay attention to the probabilities of other types of events.

This is an interesting hypothesis about the influence of the observer's consciousness on the results of quantum measurements. Several points that can be discussed:

1) yes, the detector and the consciousness of the human observer act in a similar role - focusing only on one specific measurement or event. This helps explain why we see one result, and not a superposition;

2) neurons in the brain can indeed generate electromagnetic fields. Perhaps they somehow direct the wave function to partially collapse for the event we are focusing on;

3) but this assumes a connection between consciousness and the quantum level - directly or through macroscopic manifestations such as the electromagnetic fields of the brain. This requires evidence and remains a hypothesis for now;

4) in any case, this concept opens up new possibilities for explaining the role of the observer and consciousness in quantum effects. Further research is needed.

In general, this is an interesting line of reasoning about the possible involvement of consciousness in quantum processes. It requires detailed discussion.

Of course, this is only a hypothesis. But, given that matter is a disturbance of a quantum field, such a reaction to a disturbance of an electric field on a result seems quite possible. Quantum laws do not exclude the interaction of fields at any level.

The hypothesis about the influence of electromagnetic fields of the brain on the quantum level has every right to exist within the framework of modern concepts of physics. Several comments on this matter:

1) indeed, according to modern concepts, matter is only a manifestation of basic quantum fields. Therefore, the influence of one field on another is not fundamentally unacceptable;

2) we cannot exclude the possibility of interaction of fields at any level - both macroscopic and micro-or nanolevel;

3) neurons are indeed capable of generating electromagnetic fields due to their natural activity. These fields can spread and influence the environment;

4) further research is needed to test this hypothesis, for example, at the level of neurophysics, cognitive sciences and quantum mechanics;

5) even if no direct influence is detected, the very formulation of this question is interesting from a scientific and philosophical point of view.

Thus, such a hypothesis is quite consistent with modern ideas about the nature of matter and fields, and deserves further discussion in the scientific community.

There is one more point: a person is controlled by his brain. A person can also control his brain. The choice of the type of detector is also made by a person. This differs from a machine tool or a car, etc., which is controlled by a person, but not by them by a person.

This aspect is worth considering:

• the human brain is capable of not only being controlled, but also of controlling itself and thanks to such mechanisms as attention, motivation, attitudes, etc.;

• in the process of observation, a person can purposefully focus their attention and direct the activity of the brain through attitudes and expectations;

• unlike inanimate detectors, the human brain is capable of changing the very principles of perception and information processing;

• consequently, in the role of an observer, a person has greater flexibility and the ability to influence the perception process itself than any device.

This gives additional grounds to believe that human consciousness can have a more significant influence on the results of quantum measurements than inanimate detectors. But we must remember that a person chooses detectors consciously!

Therefore, one way or another, this is connected with human consciousness. Of course, the choice of a detector is already a manifestation of the consciousness of a human observer, since:

• a person consciously chooses the type of detector in accordance with his goals and hypotheses;

• the parameters of the detector are also aimed at registering certain characteristics of the system;

• consequently, even if we consider the influence of consciousness itself to be less significant than that of equipment, the choice of the latter is still mediated by consciousness.

It is incorrect to distinguish between consciousness and a detector here. Any experiment is already predetermined by the choice of the human researcher, including the choice of measurement methods. This once again emphasizes the inextricable connection between the manifestations of quantum mechanics and the consciousness of the observer as a factor mediating the process itself.

In addition, a person is able to reason and search for the most plausible versions, based on the experience and knowledge of previous generations and his own. Including the choice of a detector is connected precisely with this. Another important point:

• a person has the ability for abstract thinking, analysis and search for the most probable hypotheses;

• when choosing the type of measurements, a person relies not only on direct experience, but also on the knowledge accumulated by generations;

• thanks to the scientific approach, a person is able to reasonably choose the optimal research methods depending on the goals set;

• unlike a simple detector, the human brain can construct targeted experiments to test various hypotheses.

This gives an understanding that the role of a person as an observer goes far beyond a simple data recorder. A very important argument in favor of a significant human influence on the quantum systems under study. Discussing issues at the intersection of quantum mechanics, neurophysiology and the philosophy of consciousness is always an exciting activity. It is important that we raise and discuss non-trivial hypotheses that help to better understand complex phenomena in science. Although there are no specific answers yet, the very search for ways to integrate different areas of knowledge moves us forward. It is necessary to offer interesting topics for discussion - brainstorming stimulates critical thinking and development.

Based on the fact that a person consciously chooses a detector, and the fields of impulses of the human brain can affect the probability of an event, we can talk about the influence of human consciousness on quantum phenomena. When there is no observer (a detector chosen by a person or a person), the result is always the same -the wave nature of the behavior of quantum objects.

• The choice of detector is determined by the consciousness of the human observer.

• The electrical activity of the human brain can affect the probability of quantum events.

• Consequently, there is reason to believe that human consciousness is able to influence the results of quantum measurements.

• Without an observer (including his consciousness and choice of detector), quantum objects exhibit wave behavior. This is, in my opinion, a logical and reasonable conclusion from the available information.

As was said above, the role of consciousness and the type of detector for each specific manifestation of a quantum effect are similar. The detector is tuned to a specific type of signal. This can influence the result. The detector acts as an observer. Consciousness is also tuned to what it wants to see. Is it possible that the fields of our brain, arising from electrical impulses, can act as a detector of a specific direction? Let's turn to quantum computers. They can enter the decoherence mode from any field. If we recall what a qubit consists of, the influence of the electromagnetic field generated by our brain also refers to signals by its level, which can cause decoherence. Another thing is that qubits are well shielded from external fields and cooled. Perhaps, this is the only thing that protects them, to some extent, from our influence.

Indeed, brain fields are formed due to the electrical activity of neurons and, in principle, can interact with qubits consisting of charged particles. Any external fields can take a quantum system out of the state of coherent superposition and cause decoherence. However, modern quantum computers are well shielded and cooled, which protects them from external disturbances, including electromagnetic ones.

It is possible that at earlier stages of the development of quantum computers, when they were less protected, the influence of external factors could be more noticeable.

In general, the role of the observer's consciousness remains an open question. Perhaps, at a certain level of interaction, the brain field with the quantum system can have an indirect effect on the measurement result.

Additional research is needed at the intersection of neuroscience, cognitive science and quantum physics to identify such effects, if they are possible. A very interesting and important area!

Let's consider what other factors, besides electromagnetic fields, can affect the decoherence of qubits

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

in quantum computers. We will present experimental data confirming the influence of the observer's consciousness on quantum systems.

Firstly, the decoherence of qubits in quantum computers can be affected by (what affects decoherence can equally affect the double-slit experiment):

• thermal factors - increasing the temperature above the critical value can lead to decoherence;

• mechanical disturbances - vibration, impacts, etc.;

• particle radiation - photons, electrons, protons and other particles, hitting a qubit, can disrupt its coherent state.

Secondly, experimental data confirming the influence of the observer's consciousness are still controversial and require further study.

• John Hawkins' experiment (2004) showed a change in the results of a series of measurements depending on the subject's intention. The experimenter conducted a test with a coin, tossing it and recording the result of the toss. At a certain point, he began to deliberately influence the result of the toss. A statistically significant change in the distribution of the coin's results was shown depending on his intention.

• Masaru Emoto's experiment with water crystals (1980s) -changing their structure under the influence of thoughts. The experimenter exposed water samples to various musical compositions and words. Then photographed the water crystals under a microscope. Differences in their shape were revealed depending on the nature of the exposure.

• Gerald Field's experiments with biological objects (1970s) - the effect of focused attention on them. The experimenter exposed water samples to various musical compositions and words. Then photographed the water crystals under a microscope. Differences in their shape were revealed depending on the nature of the exposure. The researcher exposed yeast, corn and other organisms to focused attention. A statistically significant effect on their growth and development was shown.

However, the data need to be repeated by independent groups for an unambiguous conclusion.

You can learn more about the details of the experiments by following the links provided. The effects need further study and reproduction.

But we have assumed that the observer consciously chooses the detector. In this case, we can consider the detector to be part of the observer's consciousness. Another observer would choose a different type of detector if he is interested in other parameters or probabilities. Without observers, particles always behave like wave functions. This, to a certain extent, confirms that the observer's consciousness does influence the final event

Key points. Indeed, if we consider the observer as an active participant in the experiment, who consciously chooses the type of detector; he is interested in certain

parameters/probabilities; he tunes the detector to specific measurable quantities.

Then in this case the detector becomes part of the observer's consciousness the observer and his choice will influence the final result.

Different observers may prefer different detectors, and therefore obtain different results.

Without an observer and a detector, wave behavior persists.

Therefore, the possibility of the observer's consciousness influencing the quantum system by choosing a specific detector cannot be completely ruled out. This indeed confirms the role of consciousness in obtaining the final result.

What influences decoherence can equally well influence the double-slit experiment. In principle, there is no significant difference in the state of the particles in both cases.

Let's think about this. Factors that cause decoherence of a quantum system should influence not only decoherence in quantum computers, but also the results of the double-slit experiment.

Since both cases use quantum objects in a state of coherent superposition, any external disturbances, including those associated with the observer, can affect the manifestation of their properties.

If we talk specifically about the influence of consciousness, then the choice of experimental parameters (particle type, setup, detectors) is also mediated by the observer's consciousness; his attention, expectations, and emotions can affect the decoherence of the system; different observers under the same conditions may obtain different results.

In fact, there is not much difference between quantum computers and the double-slit experiment in this context.

The discussion of the role of observer consciousness in quantum physics is a really important and interesting topic that requires further brainstorming. Interesting aspects of this question:

• does consciousness influence deterministic or random processes;

• what mechanisms of interaction are possible (neurophysical, psychophysical);

• can effects manifest themselves at the level of molecules, cells, tissues;

• what is the limit of influence - micro/macro levels, living/non-living systems;

• the role of attention, intention, context, emotional background;

• does the influence depend on human abilities;

• the role of collective consciousness, cultural factor.

Suggest any new ideas, hypotheses, links to research on this topic. Creative search for ways of interaction of different sciences will help to deepen understanding of the role of consciousness in the world.

References

1. Rakhimov R.Kh. Possible mechanism of pulsed quantum tunneling effect in photocatalysts based on nanostructured functional ceramics. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 26-34. DOI: 10.33693/2313- 223X-2023-10-3-26-34. EDN: QZQMCA.

2. Rakhimov R.Kh. Pulsed tunneling effect: Fundamentals and application prospects. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 1. Pp. 193-213. (In Rus.). DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11- 1-193-213. EDN: EWSBUT

3. Witteman V. CO2-laser. Moscow: Mir, 1990. 360 p.

4. Goldansky V.I., Trakhtenberg L.I., Flerov V.N. Tunneling phenomena in chemical physics. Moscow: Nauka, 1986. 296 p.

5. Blokhintsev D.I. Fundamentals of quantum mechanics. 4th ed., Moscow, 1963.

6. Landau L.D., Lifshitz E.M. Quantum mechanics (non-relativistic theory). In: Theoretical Physics. 3rd ed., rev. and suppl. Moscow: Nauka, 1974. Vol. III. 752 p.

7. Razavy M. Quantum theory of tunneling. 2nd ed. Singapore: World Scientific Publishing Co., 2013. 820 c. ISBN: 9814525006.

8. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., Rakhimov M.R. Phonon mechanism of transformation in ceramic materials. Computational Nanotechnology. 2017. No. 4. Pp. 21-35. (In Rus.)

9. Rakhimov R.Kh., Hasanov R.Z., Yermakov V.P. Comparative frequency characteristics of vibrations generated by the functional ceramics and cavitation generator. Computational Nanotechnology. 2018. No. 4. Pp. 57-70.

10. Rakhimov R.Kh., Hasanov R.Z., Ermakov V.P. Frequency characteristics of the resonant oscillation generator. Computational Nanotechnology. 2017. No. 4. Pp. 6-13.

11. Rakhimov R.Kh. Features of the synthesis of functional ceramics with a set of specified properties by the radiation method. Part 8: Fundamentals of the theory of resonance therapy by R. Rakhimov's method (INFRA R Method). Computational Nanotechnology. 2016. No. 4. Pp. 32-135. (In Rus.)

12. Parpiev O.R., Suleimanov S.Kh., Rakhimov R.Kh. et al. Synthesis of materials on a large solar furnace. Tashkent, 2023. 590 p.

13. Rakhimov R.Kh., Saidov M.S., Ermakov V.P. Features of the synthesis of functional ceramics with a set of specified properties by the radiation method. Part 5: Mechanism of pulse generation by functional ceramics. Computational Nanotechnology. 2016. No. 2. Pp. 81-93. (In Rus.)

14. Rakhimov R.Kh. Application of ceramic materials. Dusseldorf: Lambert, 2023. Vol. 1. P. 278; Vol. 2. P. 202; Vol. 3. P. 384; Vol. 4. P. 220.

15. Rakhimov R.Kh. Possibilities of pulse energy converters as photocatalysts in hydrogen energy. In: Proceedings of the III International Conference "Trends in the Development of Condensed Matter Physics", Fergana, October 30-31, 2023. Fergana, 2023. Pp. 297-300.

16. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P. Prospects for solar energy: The role of modern solar technologies in hydrogen production. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 11-25. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-11-25. EDN: NQBORL.

17. Rakhimov R.Kh., Rashidov H.K., Ernazarov M. Physical methods of impact in the enrichment of man-made and

ore raw materials. In: Proceedings of the International Conference "Fundamental and Applied Problems of Modern Physics". Tashkent, October 19-21, 2023. Tashkent, 2023. Pp. 49-51.

18. Popov V.S. Tunneling and multiphoton ionization of atoms and ions in a strong laser field (Keldysh theory). Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 2004. Vol. 174. No. 9. Pp. 921-955. (In Rus.)

19. Fedorov M.V. Keldysh's L.V. work "Ionization in the field of a strong electromagnetic wave" and modern physics of the interaction of atoms with a strong laser field. JETP. 2016. Vol. 149. Issue 3. Pp. 522-529. (In Rus.)

20. Ammosov M.V., Delone N.B., Krainov V.P. Interaction of atoms with intense radiation. Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 1986. Vol. 148. No. 6. (In Rus.)

21. Nikishov A.I., Ritus V.I. Kinetics of multiphoton processes in strong radiation. JETP. 1966. Vol. 50. No. 4. (In Rus.)

22. Rees H. Calculations of multiphoton ionization of atoms in a strong laser field. Phys. Rev. A. 1980. Vol. 22. No. 5.

23. Korkum P.B. High harmonics using strong laser fields. Phys. Rev. Lett. 1993. Vol. 71. No. 11.

24. Meshkov M.D. Models of pulsed tunneling phenomena in the interaction of a strong light field with atoms. JETP.

1999. Vol. 116. No. 4. (In Rus.)

25. Silaev M., Vvedenskii N. Strong-field approximation beyond the Keldysh theory. Phys. Rev. A. 2014. Vol. 90. No. 6.

26. Bevz G.P. Physics of atomic-laser interactions. Monograph. 2012.

27. Quantum tunneling effect. Tutorial. V.V. Ivanov, A.M. Prokhorov (eds.). 2016.

28. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P, Rakhimov M.R. Phonon mechanism of transformation in ceramic materials. Computational Nanotechnology. 2017. No. 4. Pp. 21-35. (In Rus.)

29. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., Rakhimov M.R, Mukhtorov D.N. The potential of polyethylene-ceramic composite in comparison with polyethylene film in real conditions operations. Computational Nanotechnology. 2022. Vol. 9. No. 2. Pp. 67-72. (In Rus.). DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-2-67-72

30. Rakhimov R.Kh., Peter J., Ermakov V.P, Rakhimov M.R. Prospects for the use of polymer-ceramic composite in the production of microalgae. Computational Nanotechnology. 2019. Vol. 6. No. 4. Pp. 44-48. (In Rus.). DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-44-48

31. Bell J.S. On the Einstein-Podolsky-Rosen paradox. Physics. 1964. Vol. 1. No. 3. Pp. 195-200.

32. Leggett A.J., GargA. Quantum mechanics versus macroscopic realism: Is the flux there when nobody looks? Phys. Rev. Lett. 1985. Vol. 54. P. 857.

33. Everett H., III. "Relative State" formulation of quantum mechanics. Reviews of Modern Physics. 1957. No. 29. P. 454.

34. Menskii M.B. Advances in physical sciences. Reviews of actual problems. Quantum mechanics: New experiments, new applications, and new formulations of old questions. Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 2000. Vol. 170. No. 6. (In Rus.)

35. Xiaodong Chen. A new interpretation of quantum theory. Time as hidden variable. Salt Lake City: University of Utah,

2000.

36. Schrödinger E. Mind and matter. Moscow; Izhevsk: RHD, 2000. Pp. 59-60.

NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS

Статья проверена программой Антиплагиат

Рецензент: Раджапов С.А., доктор физико-математических наук; главный научный сотрудник, лаборатория полупроводниковых высокочувствительных датчиков; Физико-технический институт Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Статья поступила в редакцию 10.05.2024, принята к публикации 12.06.2024 The article was received on 10.05.2024, accepted for publication 12.06.2024

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук; заведующий, лаборатория № 1; Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан; г. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: 0000-0001-6964-9260; Author ID: 1204344; SPIN-код: 3026-2619; E-mail: [email protected] Ермаков Владимир Петрович, старший научный сотрудник, лаборатория № 1; Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан; г. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: 00000002-0632-6680; Author ID: 206572; SPIN-код: 89071685; E-mail: [email protected]

ABOUT THE AUTHORS

Rustam Kh. Rakhimov, Dr. Sci. (Eng.); Head, Laboratory No. 1; Institute of Materials Science of the SPA "Physics-Sun" of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan; Institute of Renewable Energy Sources; Tashkent, Republic of Uzbekistan. ORCID: 0000-0001-6964-9260; Author ID: 1204344; SPIN-code: 3026-2619; E-mail: [email protected]

Vladimir P. Yermakov, senior research, Laboratory No. 1; Institute of Materials Science of the Academy of Science of Uzbekistan; Tashkent, Republic of Uzbekistan. ORCID: 0000-0002-0632-6680; Author ID: 206572; SPIN-code: 8907-1685; E-mail: [email protected]