Un máser es un dispositivo que produce ondas electromagnéticas coherentes ( microondas ), a través de la amplificación por emisión estimulada . El término es un acrónimo de amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación . Sugerido por primera vez por Joseph Weber , 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 fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1964 por el trabajo teórico que condujo al máser. Los máseres 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 pueden diseñarse para generar ondas electromagnéticas en frecuencias de microondas , radio e infrarrojos . Por este motivo, Townes sugirió sustituir "microondas" por "molecular" como primera palabra del acrónimo "máser". [1]
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 , por "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación". A Gordon Gould se le atribuye la creación de este acrónimo en 1957.
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 de Tubos Electrónicos en junio de 1952 en Ottawa , [2] con un resumen publicado en junio de 1953 en las Transacciones del Grupo Profesional de Dispositivos Electrónicos del Instituto de Ingenieros de Radio, [3] 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, publicada en octubre de 1954.
De forma independiente, Charles Hard Townes , James P. Gordon y HJ Zeiger construyeron el primer máser de amoníaco en la Universidad de Columbia en 1953. Este dispositivo utilizaba emisión estimulada en una corriente de moléculas de amoníaco energizadas para producir amplificación de microondas a una frecuencia de aproximadamente 24,0 gigahercios . [4] Townes trabajó más tarde con Arthur L. Schawlow para describir el principio del máser óptico , o láser , [5] del cual Theodore H. Maiman creó el primer modelo funcional en 1960.
Por sus investigaciones en el campo de la emisión estimulada, Townes, Basov y Prokhorov recibieron el Premio Nobel de Física en 1964. [6]
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 máser (similar a lo que ocurre en el medio láser de un láser).
Al colocar dicho medio amplificador en una cavidad resonante , se crea una retroalimentación que puede producir radiación coherente .
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 utilizando p-terfenilo dopado con pentaceno y bombeado ópticamente como medio amplificador. [8] [9] [10] Producía pulsos de emisión de máser que duraban unos pocos cientos de microsegundos.
En 2018, un equipo de investigación del Imperial College de Londres y el University College de Londres demostró la oscilación del máser de onda continua utilizando diamantes sintéticos que contienen defectos de vacancia de nitrógeno . [11] [12]
Los máseres sirven como referencias de frecuencia de alta precisión . Estos "patrones de frecuencia atómica" son una de las muchas formas de relojes atómicos . Los máseres 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 . [13]
A principios de los años 1960, el Laboratorio de Propulsión a Chorro desarrolló un máser para proporcionar una amplificación de ruido ultrabajo de las señales de microondas de banda S recibidas de las sondas del espacio profundo. [14] Este máser 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 klistrón 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 tierra y un compresor de cruceta dentro de la antena. La inyección final se realizó a 21 MPa (3000 psi) a través de una entrada a la cámara ajustable mediante micrómetros de 150 μm (0,006 pulgadas). La temperatura de ruido de todo el sistema mirando al cielo frío (2,7 kelvin en la banda de microondas) era 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 decibeles con respecto a un milivatio (dBm).
El máser de hidrógeno se utiliza como patrón de frecuencia atómica . Junto con otros tipos de relojes atómicos, estos ayudan a formar el patrón de Tiempo Atómico Internacional ("Temps Atomique International" o "TAI" en francés). Esta es la escala de tiempo internacional coordinada por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas . Norman Ramsey y sus colegas fueron los primeros en concebir el máser como un patrón de tiempo. Los máseres más recientes son prácticamente idénticos a su diseño original. Las oscilaciones del máser se basan en la emisión estimulada entre dos niveles de energía hiperfina del hidrógeno atómico .
Aquí hay una breve descripción de cómo funcionan:
La emisión estimulada similar a la de un máser también se ha observado en la naturaleza desde el espacio interestelar , y con frecuencia se la denomina "emisión superradiante" para distinguirla de los máseres de laboratorio. Dicha emisión se observa en moléculas como el agua (H 2 O), los radicales hidroxilo ( •OH ), el metanol (CH 3 OH), el formaldehído (HCHO), el monóxido de silicio (SiO) y la carbodiimida (HNCNH). [16] Las moléculas de agua en las regiones de formación estelar pueden sufrir una inversión de población y emitir radiación a unos 22,0 GHz , lo que crea la línea espectral más brillante del universo de radio. Algunos máseres de agua también emiten radiación desde una transición rotacional a una frecuencia de 96 GHz. [17] [18]
Los máseres extremadamente potentes, asociados con núcleos galácticos activos , se conocen como megamáseres y son hasta un millón de veces más potentes que los máseres estelares.
El significado del término máser ha cambiado ligeramente desde su introducción. Inicialmente, el acrónimo se utilizaba de forma universal 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 han extendido a más dispositivos y frecuencias. Por ello, el acrónimo original se modifica a veces, como sugirió Charles H. Townes, [1] a " amplificación molecular por emisión estimulada de radiación". Algunos han afirmado que los esfuerzos de Townes por extender el acrónimo de esta manera estaban motivados principalmente por el deseo de aumentar la importancia de su invento y su reputación en la comunidad científica. [19]
Cuando se desarrolló el láser, Townes y Schawlow y sus colegas de Bell Labs impulsaron el uso del término máser óptico , pero este fue abandonado en gran medida a favor de láser , acuñado por su rival Gordon Gould. [20] En el uso moderno, los dispositivos que emiten en rayos X a través de porciones infrarrojas del espectro normalmente se denominan láseres , y los dispositivos que emiten en la región de microondas y por debajo se denominan comúnmente máseres , independientemente de si emiten microondas u otras frecuencias.
Gould propuso originalmente nombres distintos para los dispositivos que emiten en cada porción del espectro, incluyendo grasers ( láseres de rayos gamma ), xasers (láseres de rayos X), uvasers ( láseres ultravioleta ), lasers ( láseres visibles ), irasers ( láseres infrarrojos ), masers (máseres de microondas) y rasers ( máseres de RF ). Sin embargo, la mayoría de estos términos nunca se popularizaron y ahora todos se han vuelto obsoletos (salvo en la ciencia ficción), excepto maser y láser . [ cita requerida ]
A este tipo general de sistema lo llamamos máser, un acrónimo de amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación. La idea se ha extendido con éxito a una variedad tal de dispositivos y frecuencias que probablemente sea bueno generalizar el nombre, tal vez para significar amplificación molecular por emisión estimulada de radiación.
