Tartus kasvatati haruldane laserikristall
Henn Käämbre, Tiit Kändler

Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi teadlane Aarne Maaroos võtab laborilaualt läbipaistva karbi ning osutab ühes selle laekas lebavatele kivikestele. Need päikesevalguses kumavad, oliivrohelise varjundiga kristallid on tõelised tehiskalliskivid. Kuid sõrmusesse või kaelakeesse panna oleksid need liiga kallid kivid. Nende valmistamiskunst on välja töötatud aastate pikku ja sobiliku ergastamisega saab neist välja meelitada laserikiirgust, millist ei saa ühestki teisest teadaolevast kristallist.

Otsides kiirituse mõõtjaid

Tartlased on aastaid otsinud sobilikke aineid, et mõõta üht tuumakiirguse liiki, mida seni hästi mõõta veel ei saa – kiirete neutronite voogu. Mõõteriistu, mille abil teada saada, kui palju on inimene saanud lühilainelist elektromagnetkiirgust ehk gammakiirgust, on maailmas palju. Kuid raske on mõõta kiirete neutronite annust neid saatva gammakiirguse taustal. Just sellist segakiirgust võib lekkida tuumaseadmeist. Neutronid ohustavad inimest enam kui muud kiirgused, kahjustades kudesid 10–20 korda rängemalt. Et selliseid energiarikkaid osakesi tabada ja teistest eristada, peab aine, mis neid registreerib, olema tugev. Kui kiiritatud ainet soojendada, hakkab see helendama. Helendust mõõtes saabki teada, kui palju näiteks tuumajaamas töötav inimene tegelikult neutronitega pommitatud sai. "Praegused dosimeetrid hindavad tulemust alla ega arvesta neutronkiirguse bioloogilise toimega," ütleb füüsikainstituudi teadlane Tiit Kärner. Katsetuste käigus jõuti magneesiumoksiidist moodustatud kristallini. Selle ehitus on sama, mis tavalisel keedusoolal. Kuid keedusoolast on kasutatav magneesiumoksiid miljoneid kordi puhtam. Saasteaine rikub kristalli võimeid. Välja arvatud mõni eriline lisand, mida näpuotsa täiest veel näpuotsatäis lisatakse. See paneb kristalle helendama. Tartlased tulid selle peale, et lisada kristalli valmistamiseks kasutatavale pulbrile kroomi.

Keemiline kokakunst

Kui seda teha liiga palju, tõrjub kristall kroomi aatomid endast välja. Kui liiga vähe, siis pole kroomist abi. Nõnda on paremaid tulemusi saadud, kui kümne tuhande magneesiumi aatomi kohta tuleb üks kroomi aatom. "Olen tegelikult füüsikute köögitööline," ütleb keemik Maaroos, kes on Tartus mitmesuguseid kristalle kasvatanud neli aastakümmet. Ühe kindla kristalli kasvatamiseks kulub kuu-kaks. Maaroos näitab ahju, milles haruldased kristallid saadakse. Selleks hoitakse eriti puhta magneesiumoksiidi ja kroomi kokkupressitud pulbrit kaarleegi poolt kuumutatavas õõnsuses. Temperatuur tõuseb peaaegu 3000 kraadini, nii et selle täpseks mõõtmiseks polegi andureid. Kõik on suuresti tunde küsimus. "Kui kristallitegu äpardub, kasutame samu lähteaineid ja proovime uuesti," ütleb Maaroos.Lisaks kokakunsti tundmisele on vaja ka järjekindlust. "Iga millimeetri peal on rõõmuhõiskamine," ütleb Kärner. Kui Tartu teadlased Saksamaal Hamburgi ülikooli laserifüüsika instituudi laboris käisid, näidati neile seal uhkusega, et katsetatakse magneesiumoksiidist kristallide kiirgamist laserivalguses. Tartlasi hämmastas sealsete kristallide miniatuursus. Kui sakslastele nende millimeetriste kristallide asemel saadeti Tartus kasvatada õnnestunud paarisentimeetrised, läks uue laseri loomine korda. Kärneri sõnul on sellise kristalli peal ehitatud laseril kolm eelist. Kristall kiirgab üsna laias vahemikus, punasest infrapunaseni. Nii et laseri lainepikkust saab reguleerida. Seda laserit saab ergastada punase dioodlaseriga, mis on väga mugav ese. Ja see kristall on väga hea soojusjuhtivusega, nii et töö käigus üle ei kuumene. Ajakirjas Optics Letters avaldatud artiklis kirjeldavad Maaroos ja Kärner koos sakslastega laserit, mille võimsuseks saadi 50 millivatti. See on piisav, et uurida näiteks keemilisi reaktsioone.

Looduse täiendaja

Siiani tuntumaid laserkiirgureid on rubiinkristall. Rubiine leidub looduseski. Samuti ehitatakse laserid safiiril ehk siis titaanilisandiga alumiiniumoksiidil. Sedagi kristalli leidub looduses. "Meie kasvatatud kristalle looduses ei esine, ehkki kasutame nende kasvatamiseks samu tingimusi, mis looduslike kristallide kasvamisele kaasa aitasid nagu kõrge temperatuur ja sobilikud gaasid," ütleb Maaroos, "kuid meil pole nii palju aega oodata, kui loodusel." Tema arvates saab kristallide kasvatamist automatiseerida küll kilede tootmise puhul, kuid kõrget temperatuuri vajavate suurte kristallide kasvatamiseks läheb vaja ikkagi inimese kogemusi ja juuresolekut. Ainuüksi ühe kuupsentimeetri Tartus kasvatatud kristalli saamiseks kasutatavad lähteained maksavad paarkümmend tuhat krooni. Saadud kunstkristalli hinda ei oska keegi öelda. Kindel on, et selle kõrval on aleksandriit, mäekristall või safiir üsna odavad. Tartlastel on õnnestunud magneesiumoksiidi lisada ka titaani. Sellistki kristalli pole loodusest leitud. Kuid Hamburgis nende võimeid praegu katsetatakse. Teadlased loodavad, et uus kristall avardab laserite võimalusi veelgi.

EPL 22. aprill 2000