Незвичайність предмета, про який піде мова, змушує почати здалеку — від того періоду в історії Землі, коли вперше з'явилася загроза гігантським ящерам. Цією загрозливою силою були дивні теплокровні істоти, які злякано ховалися по кущах при самій тільки появі динозаврів.
Однак з роками теплокровні росли й міцніли, а славне плем'я ящерів-велетнів дрібнішало й вимирало. Зараз тільки за гордим поворотом голови та загальними обрисами тіла можна пізнати в жалюгідних ящірках і гекконах їхніх великих предків. А втім, природі не властива нудна прямолінійність. Поступившись силою, втративши велич, далекі потомки прадавніх рептилій умудрились перетворити на недоліки головну перевагу своїх переможців. Щитомордники, гримучі змії і багато інших плазунів навчились уловлювати невидимі теплові промені, які мимоволі випускають їхні переможці, і в такий спосіб дістали можливість атакувати свої жертви у темних норах, під покривом ночі, коли все живе безпомічне. Вражаючий приклад того, як силу ворогів можна перетворити на слабкість!
Слід відзначити: теплокровні й досі не знайшли що протиставити шостому почуттю плазунів — теплобаченню. І навіть тоді, коли людина побудувала всілякі тепловізори, створивши прилади для інфрачервоного бачення в цілковитій темряві, це, по суті, було лише повторенням патента природи. Люди використали «винахід» плазунів, відшліфований мільйонами років нелегкої еволюції.
Все це мимоволі спало на думку, коли у відділі плазмених явищ у напівпровідниках Інституту напівпровідників АН УРСР професор Володимир Костянтинович Малютенко показав зовні нічим не примітний прилад: лінзочка в дюралевому футлярі та дві клеми із зворотного боку. Ось і вся технічна премудрість. Але ж коли на клеми цієї лампочки був поданий електричний імпульс, вона не спалахнула яскравим світлом, як це буває звичайно, а навпаки, перестала випромінювати будь-що, як належить тілу, нагрітому до певної температури.
Сталося абсолютно неймовірне — серед звичайних предметів утворилася якась «чорна діра», про що досі можна було прочитати хіба у фантастів та в деяких астрономів, які займаються дослідженням далекого космосу. Легко уявити собі здивування гримучої змії, яка звикла покладатися на своє безвідмовне шосте почуття, якби їй довелось зіткнутися з чимось подібним — предмети раптом перед її проникливим поглядом зникали б...
А втім, особливо хвилюватися з цього приводу не слід — предмети з поля зору зникають не назавжди. Варто прибрати електричний імпульс і «лампочка-навпаки» знову повернеться до свого природного стану. Вона стане звичайним предметом, який нічим не виділяється з-поміж інших.
Дивні перетворення «лампочки-навпаки» ще не так давно загнали б у кут навіть учених, які звикли нічому не дивуватися. Адже й сьогодні тільки вузьке коло спеціалістів знає про негативну люмінесценцію, що є причиною появи серед звичайних предметів «чорних дір» на замовлення.
Називати звичайну люмінесценцію позитивною, чи люмінесценцію з плюсом, знадобилось тоді, коли дослідники відкрили, що в цього явища є антипод. Зберігаючи спільну схожість зі своїм старшим родичем, що вивчається вже понад століття, він проте є його своєрідним дзеркальним відображенням і несе в собі мінус. Але про дзеркальне відображення трохи пізніше. Збережемо належний етикет і почнемо знайомство за старшинством.
Про позитивну люмінесценцію сьогодні знає, мабуть, кожен. Хто не милувався сяючим в теплу літню ніч світлячками чи зеленкуватими вогниками в морі, які розцвічують хвилі. На Далекому Сході під час вилову горбуші можна спостерігати ще більш вражаюче видовище — тарілка зі свіжою кетовою ікрою світиться, хоч читай при ній.
Ну, і як не згадати тут «Собаку Баскервілів», у якій злочинці так блискуче використали люмінесцентну фарбу? Правда, трохи менш відомо, що свічення деяких мінералів і навіть Північне сяйво також мають пряме відношення до тієї ж таки люмінісценції.
Із технічних застосувань цього явища найбільш відомі різні варіанти світлових панелей. Уже не дивують незвичайністю плоскі телевізійні екрани, де використана здатність деяких речовин світитись під впливом електромагнітного поля. До всіх цих пристроїв сьогодні додалися системи обробки інформації, різноманітні оптоелектричні пристрої — підсилювачі випромінювання тощо. Неможливо обійти увагою й те, що в основі роботи лазера лежать ті самі принципи позитивної люмінесценції.
Вражаюча невичерпність напрямку! Він дарує техніці винаходи, один дивовижніший іншого. І хай не всі вони ведуть до гучних технічних звершень, але всі, проте, надійно і послідовно збагачують техніку, Щоб повною мірою оцінити дотепність учених, котрі від скромного свічення світлячків і старих пнів проклали дорогу до каскаду блискучих досягнень сучасної техніки, нам доведеться зануритись у глибини квантової механіки. Без допомоги цієї непростої науки не розібратися в хитромудрих процесах, які призводять до того, що з кристалу, газу чи рідини раптом починає струменіти якесь випромінювання, що дістало назву люмінесценція. Або, навпаки, тіло начебто зовсім зникає з навколишнього світу, засвідчуючи, що все в цьому світі діалектично пов'язане, що у будь-якого прямого фізичного процесу і є зворотний. Але висновки потім. Зараз спробуємо розібратися в тому, що відбувається у мікросвіті речовини, коли вона починає поводитись так дивно.
ПРО РІВНОВАГУ І ЇЇ ПОРУШЕННЯ
Квантова механіка базується на тому сьогодні вже загальноприйнятому уявленні, що енергія в будь-якій системі змінюється не безперервно, а стрибком, і тому набуває лише певних значень. Навмисне не будемо сковувати себе чітким визначенням слова «система» — це може бути і один атом чи молекула або ж газ, кристал, крапля рідини, що являють собою цілі ансамблі частинок. Головне для нас зараз — підтвердити факт, що перехід такої системи з одного енергетичного стану в інший відбувається стрибком. При цьому виділяється чи поглинається порція (квант) енергії.
Тепер візьмемо термостат, стінки якого утримують певну температуру, і помістимо в нього нашу систему. Залишається почекати поки потік енергії, що падає на тіло, дорівнюватиме тому, що виділяється, і ми зможемо визначити потужність рівноважного випромінювання в заданому спектральному діапазоні. Знаючи цю величину, неважно вимірювати величину люмінесценції.
Звичайно, поки рівновага в нашій системі не порушена, про люмінесценцію годі говорити. Але якщо в систему надходить додаткова енергія, рівновага порушується. При цьому кількість переходів частинок з основного стану відразу ж зростає. А поява надлишку частинок у збудженому стані збільшує число зворотних переходів. Одразу ж виникає сумарна потужність випромінення на заданій частоті, яку ми зареєструємо у вигляді люмінесценції — явище, яке свідчить про те, що в даному тілі з'явився надмір випромінення над тепловим, тобто рівновагу порушено.
Достоїнством цього феномена є те, що практично в усіх цікавих випадках люмінесценцію можна виявити дуже просто — це явище помітне. Ось тому люмінесценція стала дуже важливим інструментом дослідження нерівноважного стану речовини. Причому зовсім не важливо, який спосіб збудження системи при цьому використаний — чи то світлові хвилі, чи проникаюча радіація, хімічні реакції чи електричне поле, процеси життя чи механічна дія — незалежно від способу приведення частинок у такий збуджений стан потужність випромінення системи збільшується, іноді досягаючи величезних розмірів. Згадаємо ще раз приклад з лазером.
Усі ці особливості люмінесценції призвели до того, що вона з цілком другорядного процесу, який явно не лежить на головній магістралі розвитку науки, перетворилась на могутній інструмент вивчення щонайтонших явищ, які відбуваються в глибинах матерії. З її допомогою стало можливим досліджувати просторове розташування структури молекул, процеси перетворення і переносу енергії, енергетичну структуру речовин. Це дало змогу застосовувати її методи в ядерній фізиці, хімії, геології. її поспішили використати біологи і біофізики при вивченні найтонших процесів життя. Нарешті, люмінесценція знайшла застосування в космічних дослідженнях...
І все ж на сьогоднішній день — це вже класика науки. Тут важко чекати революції. Несподіване почалось, коли вчені поставили задачу, так би мовити, з ніг на голову — коли вони поставили собі питання: а чи не можна одержати люмінесценцію з мінусом?
Коли глянути на задачу про негативну люмінесценцію з висоти нинішніх досягнень, може здатися, що ця ідея не така вже й складна. Правда, саме про задачі прості вже не один дослідник говорив, що розв'язати їх — справа надзвичайно важка. Можливо, саме тут лежить пояснення того дивного для сучасної науки факту, що на початковому етапі негативна люмінесценція розроблялася без будь-якої видимої конкуренції. Це тим більш дивно, що на всіх найголовніших напрямках науки зараз робиться таке, що часто-густо важко назвати єдиного автора ідеї: до рішення її одночасно приходять численні групи вчених у різних країнах.
А тут усі події розвивалися ідилічно спокійно. Всі попередні дослідження були проведені тільки в нашій країні.
Вперше вийшов на негативну люмінесценцію відомий оптик з Мінська, представник знаменитої фізичної школи Сергія Вавілова, академік АН Білоруської РСР Борис Степанов. Сталося це років тридцять тому, коли у фізиці інтенсивно обговорювалась задача, яка нібито й не має прямого відношення до нашої теми — про можливість пояснення квантового виходу люмінесценції більшої за одиницю. Борис Іванович, розглядаючи з колегами схему переходу, відкрив, що серед членів, які обумовлюють випромінювальні переходи, з'явився один з від'ємним знаком. Все це і дало авторам привід буквально на рівному місці передбачити явище, яке ні з якого експерименту не випливало.
Давайте й ми простежимо за тим, що станеться, коли енергія, яка підводиться ззовні, витрачається не на збільшення (що давно і добре досліджено), а на зменшення «заселеності» збудженого рівня.