Máser

Primer prototipo de amoníaco maser e inventor Charles H. Townes. La boquilla de amoníaco está a la izquierda en la caja, las cuatro barras de latón en el centro son el selector de estado de cuádrupo, y la cavidad resonante está a la derecha. La salida de 24 GHz microondas a través de la guía de onda vertical Townes se está ajustando. Al fondo están las bombas de vacío.

Una descarga de frecuencia de hidrógeno, el primer elemento dentro de un masajista de hidrógeno (ver descripción abajo)

Un maser (acrónimo de amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación) es un dispositivo que produce ondas electromagnéticas coherentes a través de la amplificación por emisión estimulada. El primer máser 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 másers también 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 en el espacio profundo.

Los máseres modernos se pueden diseñar para generar ondas electromagnéticas no solo en frecuencias de microondas, sino también en frecuencias de radio e infrarrojos. Por esta razón, Townes sugirió reemplazar microondas con la palabra molecular como la primera palabra en el acrónimo maser.

El láser funciona según el mismo principio que el máser, pero produce radiación coherente de mayor frecuencia en longitudes de onda visibles. El máser fue el precursor del láser, inspirando el trabajo teórico de Townes y Arthur Leonard Schawlow que condujo 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 rigen 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 de tubos electrónicos en junio de 1952 en Ottawa, con un resumen publicado en junio de 1953 Transactions of the Institute del Grupo Profesional de Ingenieros de Radio sobre Dispositivos Electrónicos, 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, publicado posteriormente en octubre de 1954.

De forma independiente, Charles Hard Townes, James P. Gordon y H. J. Zeiger construyeron el primer máser de amoníaco en la Universidad de Columbia en 1953. Este dispositivo usaba emisión estimulada en una corriente de moléculas de amoníaco energizadas para producir una 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 funcional en 1960.

Por su investigación en el campo de la emisión estimulada, Townes, Basov y Prokhorov recibieron 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 excitado, pueden amplificar la radiación a una frecuencia particular del elemento o molécula utilizada como medio de masificación (similar a lo que ocurre en el medio láser en un láser).

Al colocar un medio amplificador de este tipo en una cavidad resonante, se crea una retroalimentación que puede producir una radiación coherente.

Algunos tipos comunes

• Masadores de vigas atómicas
  • Masador de amoníaco
  • Masador de electrones gratis
  • Masador de hidrógeno
• Masadoras de gas
  • Rubidium maser
  • Láser líquido y químico
• Masadores de estado sólido
  • Ruby Maser
  • Modos de batidor-gallery máser de zafiro de hierro
• Masador de gas noble dual (El doble gas noble de un medio de masajista que no es polar.)

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 usando p-terfenilo dopado con pentaceno y bombeado ópticamente como medio amplificador. Produjo pulsos de emisión máser que duraron unos pocos cientos de microsegundos.

En 2018, un equipo de investigación del Imperial College London y el University College London demostraron la oscilación de máser de onda continua con diamantes sintéticos que contenían defectos de vacantes 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 másers 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 una amplificación de ruido ultra bajo de las señales de microondas de banda S recibidas de las sondas del espacio profundo. Este máser usó helio profundamente refrigerado para enfriar el amplificador a una temperatura de 4 kelvin. La amplificación se logró excitando un peine de rubí con un klistrón de 12,0 gigahercios. En los primeros años, tomaba días 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 a la cámara de 150 μm (0,006 pulgadas) ajustable con micrómetros. La temperatura de ruido de todo el sistema mirando al 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 pudo enviar imágenes fijas desde Marte 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 decibelios con respecto a un milivatio (dBm).

Máser de hidrógeno

Un albañil de hidrógeno.

El máser de hidrógeno se utiliza como estándar de frecuencia atómica. Junto con otros tipos de relojes atómicos, ayudan a formar 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 primero concibieron el máser como un patrón de tiempo. Los masers más recientes son prácticamente idénticos a su diseño original. Las oscilaciones de máser se basan en la emisión estimulada entre dos niveles de energía hiperfina de hidrógeno atómico.

Aquí hay una breve descripción de cómo funcionan:

• En primer lugar, se produce un rayo de hidrógeno atómico. Esto se hace al enviar el gas a baja presión a una descarga de onda de radio de alta frecuencia (ver la imagen en esta página).
• El siguiente paso es la "selección estatal"—para obtener alguna emisión estimulada, es necesario crear una inversión de población de los átomos. Esto se hace de una manera que es muy similar al experimento Stern-Gerlach. Después de pasar por una abertura y un campo magnético, muchos de los átomos del haz se quedan en el nivel de energía superior de la transición láser. Desde este estado, los átomos pueden desintegrarse al estado inferior y emitir alguna radiación de microondas.
• Un factor de alta Q (factor de calidad) la cavidad de microondas confines los microondas y los reinyecta repetidamente en el haz de átomo. La emisión estimulada amplifica los microondas en cada paso a través del haz. Esta combinación de amplificación y retroalimentación es lo que define a todos los osciladores. La frecuencia resonante de la cavidad de microondas se ajusta a la frecuencia de la transición de energía hiperfinada del hidrógeno: 1.420.405.752 hertz.
• Una pequeña fracción de la señal en la cavidad de microondas se une en un cable coaxial y luego se envía a un receptor de radio coherente.
• La señal de microondas que sale del maser es muy débil, unos 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 bloqueados por fase y un oscilador de cuarzo de alto rendimiento.

Masers astrofísicas

También se ha observado en la naturaleza la emisión estimulada de tipo Maser desde el espacio interestelar, y con frecuencia se la denomina "emisión superradiante" para distinguirlo de los máseres de laboratorio. Dicha emisión se observa en moléculas como agua (H₂O), radicales hidroxilo (•OH), metanol (CH₃OH), formaldehído (HCHO), monóxido de silicio (SiO) y carbodiimida (HNCNH). Las moléculas de agua en las regiones de formación de estrellas pueden sufrir una inversión de población y emitir radiación a aproximadamente 22 GHz, lo que crea la línea espectral más brillante del universo de radio. Algunos máseres de agua también emiten radiación a partir de una transición rotacional a una frecuencia de 96 GHz.

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

Terminología

El significado del término maser 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 concepto de emisión estimulada se ha extendido a más dispositivos y frecuencias. Por lo tanto, 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 invento 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 este se abandonó en gran medida a favor de láser, acuñado por su rival Gordon Gould. En el uso moderno, los dispositivos que emiten rayos X a través de porciones infrarrojas del espectro se denominan típicamente láseres, y los dispositivos que emiten en la región de microondas y por debajo se denominan comúnmente másers, independientemente de si emiten o no microondas u otras frecuencias.

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

En la cultura popular

En la franquicia Godzilla de Toho, las Fuerzas de Autodefensa de Japón (JSDF) y otras organizaciones militares a menudo utilizan másers en forma de armas de energía dirigida montadas en tanques, emplazamientos de armas estacionarios y aeronaves. en un esfuerzo por combatir el kaiju desenfrenado. Numerosas iteraciones de Mechagodzilla también usan masers como parte de sus arsenales. Además, la reinvención de Moguera de The Mysterians de Toho usa un cañón máser de plasma de su abdomen.

En la serie de televisión ficticia de tecnología espía Alias, el episodio 7 de la temporada 3 titulado "Prelude" habló sobre un prototipo máser creado por el gobierno chino. En el episodio, los agentes de la CIA debían contrarrestar los esfuerzos de la organización criminal The Covenant y el gobierno chino, robando el sistema operativo máser chino y saboteando el propio dispositivo máser. Sabotear el máser evitaría los esfuerzos para montar una matriz de máser en un satélite de defensa como parte de un programa de asesinatos del ministerio chino.