Un máser es un dispositivo que produce ondas electromagnéticas coherentes ( microondas ), mediante 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 recibieron el Premio Nobel de Física de 1964 por su teoría. trabajo que conduce 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 pueden diseñarse para generar ondas electromagnéticas no sólo en frecuencias de microondas sino también en frecuencias de radio e infrarrojas . Por esta razón, Townes sugirió reemplazar "microondas" por "molecular" como primera palabra del acrónimo "maser". [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 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 le llamó "máser óptico". Finalmente se cambió a láser , para "amplificación de la luz mediante 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 Transactions of the Institute. del Grupo Profesional de Ingenieros de Radio sobre Dispositivos Electrónicos, [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 posteriormente 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 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 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] 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 demostró la oscilación del máser de onda continua utilizando diamantes sintéticos que contienen defectos de nitrógeno vacante . [11] [12]
Los máser sirven como referencias de frecuencia de alta precisión . Estos "estándares de frecuencia atómica" son una de las muchas formas de relojes atómicos . Los máser también se utilizaron como amplificadores de microondas de bajo ruido en radiotelescopios , aunque han sido reemplazados en gran medida por amplificadores basados en FET . [13]
A principios de la década de 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 desde 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 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 ajustable con un micrómetro de 150 μm (0,006 pulgadas). La temperatura de ruido de todo el sistema 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 pudo enviar imágenes fijas desde Marte a la Tierra incluso aunque la potencia de salida de su transmisor de radio fuera de sólo 15 vatios y, por tanto, la potencia total de la señal recibida fue de sólo -169 decibeles con 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 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 máser como un estándar de sincronización. Los máseres más recientes son prácticamente idénticos a su diseño original. Las oscilaciones máser se basan en la emisión estimulada entre dos niveles de energía hiperfinos de hidrógeno atómico .
Aquí hay una breve descripción de cómo funcionan:
La emisión estimulada similar a 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. Esta 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 aproximadamente 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. [17] [18]
Los máseres extremadamente poderosos, asociados con núcleos galácticos activos , se conocen como megamáseres y son hasta un millón de veces más poderosos que los máseres estelares.
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 concepto de emisión estimulada se ha extendido a más dispositivos y frecuencias. Así, el acrónimo original a veces se modifica, como sugiere Charles H. Townes, [1] a " amplificación molecular por emisión estimulada de radiación". Algunos han afirmado que los esfuerzos de Townes por ampliar 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. [19]
Cuando se desarrolló el láser, Townes, Schawlow y sus colegas de Bell Labs impulsaron el uso del término máser óptico , pero este fue abandonado en gran medida en favor del láser , acuñado por su rival Gordon Gould. [20] 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 las 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 porción del espectro, incluidos grasers ( láseres de rayos gamma ), xasers (láseres de rayos X), uvasers ( láseres ultravioleta ), láseres ( láseres visibles ), irasers ( láseres infrarrojos ), máseres (máseres de microondas) y rasers ( máseres de RF ). Sin embargo, la mayoría de estos términos nunca tuvieron éxito y ahora todos (aparte de la ciencia ficción) se han vuelto obsoletos, excepto máser y láser . [ cita necesaria ]
A este tipo general de sistema lo llamamos máser, acrónimo de amplificación de microondas mediante emisión estimulada de radiación. La idea se ha extendido con éxito a tal variedad de dispositivos y frecuencias que probablemente sea conveniente generalizar el nombre, tal vez en el sentido de amplificación molecular mediante emisión estimulada de radiación.
