Maser - Maser

Para otros usos, consulte Maser (desambiguación) .
Primer prototipo de maser de amoníaco e inventor Charles H. Townes . La boquilla de amoníaco está a la izquierda en la caja, las cuatro varillas de latón en el centro son el selector de estado del cuadrupolo y la cavidad resonante está a la derecha. Las microondas de 24 GHz salen a través de la guía de ondas vertical que Townes está ajustando. En la parte inferior están las bombas de vacío.
Una descarga de radiofrecuencia de hidrógeno, el primer elemento dentro de un máser de hidrógeno (ver descripción a continuación)

A maser ( / m eɪ z ər / , un acrónimo de amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación ) es un dispositivo que produce coherentes ondas electromagnéticas a través de la amplificación por emisión estimulada . El primer maser fue construido por Charles H. Townes , James P. Gordon y Herbert J. Zeiger en la Universidad de Columbia en 1953. Townes, Nikolay Basov y Alexander Prokhorov recibieron el Premio Nobel de Física de 1964 por el trabajo teórico que condujo al máser. Los masers se utilizan como dispositivo de cronometraje en relojes atómicos y como amplificadores de microondas de ruido extremadamente bajo en radiotelescopios y estaciones terrestres de comunicación de naves espaciales lejanas .

Los maestros modernos pueden diseñarse para generar ondas electromagnéticas no solo en las frecuencias de microondas , sino también en las frecuencias de radio e infrarrojos. Por esta razón, Charles Townes sugirió reemplazar "microondas" con la palabra "molecular" como la primera palabra del acrónimo maser .

El láser funciona según el mismo principio que el máser, pero produce una radiación coherente de frecuencia más alta en longitudes de onda visibles. El maser fue el precursor del láser, inspirando el trabajo teórico de Townes y Arthur Leonard Schawlow que llevó a la invención del láser en 1960 por Theodore Maiman . Cuando se imaginó por primera vez el oscilador óptico coherente en 1957, originalmente se lo llamó "máser óptico". Esto finalmente se cambió a láser para "Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación". A Gordon Gould se le atribuye la creación de este acrónimo en 1957.

Historia

Los principios teóricos que gobiernan el funcionamiento de un máser fueron descritos por primera vez por Joseph Weber de la Universidad de Maryland, College Park en la Conferencia de Investigación del Tubo de Electrones en junio de 1952 en Ottawa , con un resumen publicado en las Transacciones de junio de 1953 del Instituto de Ingenieros de Radio. Professional Group on Electron Devices, y simultáneamente por Nikolay Basov y Alexander Prokhorov del Instituto de Física Lebedev en una Conferencia de toda la Unión sobre Radioespectroscopia celebrada por la Academia de Ciencias de la URSS en mayo de 1952, posteriormente publicada en octubre de 1954.

Independientemente, Charles Hard Townes , James P. Gordon y HJ Zeiger construyeron el primer maser de amoníaco en la Universidad de Columbia en 1953. Este dispositivo utilizó emisión estimulada en una corriente de moléculas de amoníaco energizadas para producir amplificación de microondas a una frecuencia de aproximadamente 24,0 gigahercios . Townes trabajó más tarde con Arthur L. Schawlow para describir el principio del máser óptico , o láser , del cual Theodore H. Maiman creó el primer modelo de trabajo en 1960.

Por su investigación en el campo de las emisiones estimuladas, Townes, Basov y Prokhorov fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1964.

Tecnología

El máser se basa en el principio de emisión estimulada propuesto por Albert Einstein en 1917. Cuando los átomos han sido inducidos a un estado de energía excitada, pueden amplificar la radiación a una frecuencia particular del elemento o molécula utilizado como medio de formación (similar a lo que ocurre en el medio láser en un láser).

Al colocar dicho medio amplificador en una cavidad resonante , se crea una retroalimentación que puede producir una radiación coherente .

Algunos tipos comunes

Desarrollos del siglo XXI

En 2012, un equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Física y el Imperial College de Londres desarrolló un máser de estado sólido que funcionaba a temperatura ambiente mediante el uso de p-terfenilo dopado con pentaceno bombeado ópticamente como medio amplificador. Produjo pulsos de emisión de máser que duraron unos cientos de microsegundos.

En 2018, un equipo de investigación del Imperial College London y el University College London demostró la oscilación del maser de onda continua utilizando diamantes sintéticos que contienen defectos de vacancia de nitrógeno .

Usos

Los masers sirven como referencias de frecuencia de alta precisión . Estos "estándares de frecuencia atómica" son una de las muchas formas de relojes atómicos . Los masers también se utilizaron como amplificadores de microondas de bajo ruido en radiotelescopios , aunque estos han sido reemplazados en gran medida por amplificadores basados ​​en FET .

A principios de la década de 1960, el Laboratorio de Propulsión a Chorro desarrolló un máser para proporcionar amplificación de ruido ultrabajo de las señales de microondas de banda S recibidas de sondas de espacio lejano. Este maser utilizó helio profundamente refrigerado para enfriar el amplificador a una temperatura de 4  kelvin . La amplificación se logró excitando un peine de rubí con un klystron de 12,0 gigahercios . En los primeros años, se necesitaban días para enfriar y eliminar las impurezas de las líneas de hidrógeno. La refrigeración era un proceso de dos etapas con una gran unidad Linde en el suelo y un compresor de cruceta dentro de la antena. La inyección final fue a 21 MPa (3000 psi) a través de una entrada de 150 μm (0,006 pulgadas) ajustable en micrómetros a la cámara. La temperatura de ruido del sistema completo mirando el cielo frío (2,7  kelvin en la banda de microondas) fue de 17 kelvin. Esto dio una cifra de ruido tan baja que la sonda espacial Mariner IV podía enviar imágenes fijas desde Marte de regreso a la Tierra a pesar de que la potencia de salida de su transmisor de radio era de solo 15  vatios y, por lo tanto, la potencia total de la señal recibida era de solo -169  decibeles con respecto a un milivatio  (dBm).

Máser de hidrógeno

Artículo principal: Máser de hidrógeno
Un maser de hidrógeno.

El máser de hidrógeno se utiliza como estándar de frecuencia atómica . Junto con otros tipos de relojes atómicos, estos ayudan a componer el estándar del Tiempo Atómico Internacional ("Temps Atomique International" o "TAI" en francés). Esta es la escala de tiempo internacional coordinada por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas . Norman Ramsey y sus colegas concibieron por primera vez el maser como un estándar de sincronización. Los masers más recientes son prácticamente idénticos a su diseño original. Las oscilaciones maser se basan en la emisión estimulada entre dos niveles de energía hiperfina de hidrógeno atómico . Aquí hay una breve descripción de cómo funcionan:

  • Primero, se produce un haz de hidrógeno atómico. Esto se hace sometiendo el gas a baja presión a una descarga de ondas de radio de alta frecuencia (vea la imagen en esta página).
  • El siguiente paso es la "selección de estado"; para obtener alguna emisión estimulada, es necesario crear una inversión de población de los átomos. Esto se hace de una manera muy similar al experimento de Stern-Gerlach . Después de pasar a través de una abertura y un campo magnético, muchos de los átomos del haz quedan en el nivel superior de energía de la transición láser. A partir de este estado, los átomos pueden decaer al estado inferior y emitir algo de radiación de microondas.
  • Una cavidad de microondas de alto factor Q ( factor de calidad) confina las microondas y las reinyecta repetidamente en el haz de átomos. La emisión estimulada amplifica las microondas en cada paso a través del haz. Esta combinación de amplificación y retroalimentación es lo que define a todos los osciladores . La frecuencia de resonancia de la cavidad de microondas está sintonizada con la frecuencia de la transición de energía hiperfina del hidrógeno: 1.420.405.752 hercios .
  • Una pequeña fracción de la señal en la cavidad de microondas se acopla a un cable coaxial y luego se envía a un receptor de radio coherente .
  • La señal de microondas que sale del máser es muy débil (unos pocos picowatts ). La frecuencia de la señal es fija y extremadamente estable. El receptor coherente se utiliza para amplificar la señal y cambiar la frecuencia. Esto se hace utilizando una serie de bucles de fase bloqueada y un oscilador de cuarzo de alto rendimiento .

Maestros astrofísicos

Artículo principal: máser astrofísico

También se ha observado en la naturaleza una emisión estimulada de tipo maser desde el espacio interestelar , y con frecuencia se la denomina "emisión superradiante" para distinguirla de los masers de laboratorio. Dicha emisión se observa a partir de moléculas como agua (H 2 O), radicales hidroxilo ( • OH ), metanol (CH 3 OH), formaldehído (HCHO) y monóxido de silicio (SiO). Las moléculas de agua en las regiones de formación de estrellas pueden sufrir una inversión de población y emitir radiación a unos 22,0  GHz , creando la línea espectral más brillante del radiouniverso. Algunos máseres de agua también emiten radiación a partir de una transición rotacional a una frecuencia de 96 GHz.

Los máseres extremadamente poderosos, asociados con núcleos galácticos activos , se conocen como megamasers y son hasta un millón de veces más poderosos que los máseres estelares.

Terminología

El significado del término máser ha cambiado ligeramente desde su introducción. Inicialmente, el acrónimo se dio universalmente como "amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación", que describía dispositivos que emitían en la región de microondas del espectro electromagnético .

Desde entonces, el principio y el concepto de emisión estimulada se ha extendido a más dispositivos y frecuencias. Así, el acrónimo original a veces se modifica, como sugirió Charles H. Townes, a " amplificación molecular por emisión estimulada de radiación". Algunos han afirmado que los esfuerzos de Townes para extender el acrónimo de esta manera fueron motivados principalmente por el deseo de aumentar la importancia de su invención y su reputación en la comunidad científica.

Cuando se desarrolló el láser, Townes y Schawlow y sus colegas de Bell Labs impulsaron el uso del término máser óptico , pero esto se abandonó en gran medida en favor del láser , acuñado por su rival Gordon Gould. En el uso moderno, los dispositivos que emiten rayos X a través de porciones infrarrojas del espectro generalmente se denominan láseres , y los dispositivos que emiten en la región de microondas y por debajo se denominan comúnmente másers , independientemente de si emiten microondas u otras frecuencias.

Gould propuso originalmente nombres distintos para los dispositivos que emiten en cada parte del espectro, incluidos los grasers ( láseres de rayos gamma ), los xasers (láseres de rayos X), los uvasers ( láseres ultravioleta ), los láseres ( láseres visibles ), los irasers ( láseres infrarrojos ), masers ( masers de microondas) y rasers ( masers de RF ). Sin embargo, la mayoría de estos términos nunca se popularizaron y ahora todos se han vuelto (excepto en la ciencia ficción) obsoletos a excepción de maser y láser .

En la cultura popular

En la franquicia de Godzilla , las Fuerzas de Autodefensa japonesas (JSDF) a menudo usan tanques máser ficticios en un esfuerzo inútil por defender a Japón de Godzilla y otros Kaiju .

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • JR Singer, Masers , John Whiley and Sons Inc., 1959.
  • J. Vanier, C. Audoin, La física cuántica de los estándares de frecuencia atómica , Adam Hilger, Bristol, 1989.

enlaces externos