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Máser

El primer prototipo de máser de amoníaco frente a su inventor, Charles H. Townes . La boquilla de amoníaco se encuentra a la izquierda en la caja, las cuatro varillas de latón e...

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El primer prototipo de máser de amoníaco frente a su inventor, Charles H. Townes . La boquilla de amoníaco se encuentra a la izquierda en la caja, las cuatro varillas de latón en el centro son el selector de estado cuadrupolar 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 se encuentran las bombas de vacío .
Una descarga de radiofrecuencia de hidrógeno, el primer elemento dentro de un máser de hidrógeno (ver descripción a continuación).

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 . Nikolay Basov , Alexander Prokhorov y Joseph Weber introdujeron el concepto de máser en 1952, y Charles H. Townes , James P. Gordon y Herbert J. Zeiger construyeron el primer máser en la Universidad de Columbia en 1953. Townes, Basov y Prokhorov ganaron el Premio Nobel de Física de 1964 por su trabajo teórico que condujo al desarrollo del máser. Los máseres se utilizan como dispositivos de cronometraje en relojes atómicos y como amplificadores de microondas de ruido extremadamente bajo en radiotelescopios y estaciones terrestres de comunicación para naves espaciales en el espacio profundo .

Los máseres modernos pueden diseñarse para generar ondas electromagnéticas en frecuencias de microondas y frecuencias de radio e infrarrojo . Por esta razón, Townes sugirió reemplazar "microondas" por "molecular" como la 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 concibió por primera vez el oscilador óptico coherente en 1957, se le denominó originalmente "máser óptico". Posteriormente, se cambió a láser , por "amplificación de luz mediante emisión estimulada de radiación". Se atribuye a Gordon Gould 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 , [ 2 ] con un resumen publicado en las Transacciones del Grupo Profesional de Dispositivos Electrónicos del Instituto de Ingenieros de Radio de junio de 1953, [ 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 H. J. Zeiger construyeron el primer máser de amoníaco en la Universidad de Columbia en 1953. Este dispositivo utilizaba la emisión estimulada en un flujo de moléculas de amoníaco energizadas para producir amplificación de microondas a una frecuencia de aproximadamente 24,0 gigahercios . [ 4 ] Posteriormente, Townes trabajó 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 fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1964. [ 6 ]

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 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 .

Algunos tipos comunes

  • máseres de haz atómico
  • máseres de gas
    • máser de rubidio
  • Láser químico y de tinte líquido
  • máseres de estado sólido
  • Máser de doble gas noble (El doble gas noble de un medio máser que no es polar . [ 7 ] )

Desarrollos del siglo XXI

En 2012, un equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Física y del 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 máser que duraban unos cientos de microsegundos.

En 2018, un equipo de investigación del Imperial College London y del University College London demostró la oscilación máser de onda continua utilizando diamantes sintéticos que contenían defectos de vacancia de nitrógeno . [ 11 ] [ 12 ]

En 2025, un equipo de la Universidad de Northumbria creó una unidad de bajo costo y eficiencia energética que funciona a temperatura ambiente y utiliza un LED como fuente de emisión. [ 13 ]

Usos

Los máseres sirven como referencias de frecuencia de alta precisión . Estos "estándares de frecuencia atómica" son una de las muchas formas de relojes atómicos . Los máseres también se usaban como amplificadores de microondas de bajo ruido en radiotelescopios , aunque estos han sido reemplazados en gran medida por amplificadores basados ​​en FET . [ 14 ]

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 espaciales profundas. [ 15 ] Este máser utilizaba helio ultracongelado para enfriar el amplificador a una temperatura de 4 kelvin . La amplificación se lograba excitando un peine de rubíes 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 se realizaba en dos etapas: una gran unidad Linde en tierra y un compresor de cruceta dentro de la antena. La inyección final se realizaba a 21 MPa (3000 psi) a través de una entrada ajustable micrométricamente de 150 μm (0,006 pulgadas) a la cámara. La temperatura de ruido de todo el sistema , considerando el cielo frío (2,7 kelvin en la banda de microondas), era de 17 kelvin. Esto proporcionaba un nivel de ruido tan bajo que la sonda espacial Mariner IV podía enviar imágenes fijas desde Marte a la Tierra , a pesar de que la potencia de salida de su transmisor de radio era de tan solo 15 vatios , y por lo tanto, la potencia total de la señal recibida era de tan solo -169 decibelios con respecto a un milivatio (dBm).         

máser de hidrógeno

Un máser de hidrógeno.

El máser de hidrógeno se utiliza como patrón de frecuencia atómica . Junto con otros tipos de relojes atómicos, estos contribuyen a conformar el patrón de tiempo atómico internacional (o TAI, por sus siglas en francés). Esta es la escala de tiempo internacional coordinada por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas . Norman Ramsey y sus colegas concibieron inicialmente el máser como un patrón de cronometraje. 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 hiperfinos del hidrógeno atómico .

Aquí les ofrecemos una breve descripción de cómo funcionan:

  • En primer lugar, se produce un haz de hidrógeno atómico. Esto se logra sometiendo el gas a baja presión a una descarga de ondas de radio de alta frecuencia (véase la imagen en esta página).
  • El siguiente paso es la "selección de estado": para obtener emisión estimulada, es necesario crear una inversión de población de los átomos. Esto se realiza de forma muy similar al experimento de Stern-Gerlach . Tras atravesar una abertura y un campo magnético, muchos de los átomos del haz permanecen en el nivel de energía superior de la transición láser. Desde este estado, los átomos pueden decaer al estado inferior y emitir radiación de microondas.
  • Una cavidad de microondas con un alto factor Q (factor de calidad) confina las microondas y las reinyecta repetidamente en el haz atómico. 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 a la frecuencia de la transición de energía hiperfina del hidrógeno: 1.420.405.752 hercios . [ 16 ]
  • 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 emite el máser es muy débil, de unos pocos picovatios . La frecuencia de la señal es fija y extremadamente estable. El receptor coherente se utiliza para amplificar la señal y modificar su frecuencia. Esto se logra mediante una serie de bucles de enganche de fase y un oscilador de cuarzo de alto rendimiento .

máseres astrofísicos

Las auroras boreales en el polo norte de Júpiter generan máseres de ciclotrón ( Hubble ).

También se ha observado emisión estimulada tipo máser en la naturaleza desde el espacio interestelar , y frecuentemente se la denomina "emisión superradiante" para distinguirla de los máseres de laboratorio. Estas emisiones se observan en moléculas como el agua (H₂O ) , los radicales hidroxilo ( •OH ), el metanol (CH₃OH ) , el formaldehído (HCHO), el monóxido de silicio (SiO) y la carbodiimida (HNCNH). [ 17 ] Las moléculas de agua en las regiones de formación estelar pueden experimentar una inversión de población y emitir radiación a unos 22,0 GHz , creando la línea espectral más brillante en el universo radioeléctrico. Algunos máseres de agua también emiten radiación a partir de una transición rotacional a una frecuencia de 96 GHz. [ 18 ] [ 19 ]  

Los máseres extremadamente potentes, asociados a núcleos galácticos activos , se conocen como megamáseres y son hasta un millón de veces más potentes que los máseres estelares.

Terminología

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

El principio y concepto de emisión estimulada se ha extendido desde entonces a más dispositivos y frecuencias. Por lo tanto, el acrónimo original a veces se modifica, 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 estuvieron motivados principalmente por el deseo de aumentar la importancia de su invención y su reputación en la comunidad científica. [ 20 ]

Cuando se desarrolló el láser, Townes y Schawlow y sus colegas en Bell Labs impulsaron el uso del término máser óptico , pero este fue abandonado en gran medida en favor de láser , acuñado por su rival Gordon Gould. [ 21 ] En el uso moderno, los dispositivos que emiten en las porciones de rayos X a infrarrojos del espectro se denominan típicamente 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 ), láseres ( láseres visibles ), irasers ( láseres infrarrojos ), masers (máseres de microondas) y rasers ( máseres de radiofrecuencia ). Sin embargo, la mayoría de estos términos nunca se popularizaron y todos se han vuelto obsoletos (aparte de en la ciencia ficción), excepto maser y laser .

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Townes, Charles H. (1964-12-11). "Producción de radiación coherente por átomos y moléculas - Conferencia Nobel" (PDF) . El Premio Nobel . pág.  63. Archivado (pdf) del original el 27-08-2020 . Recuperado el 27-08-2020 . Llamamos a este tipo general de sistema máser, un acrónimo de amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación. La idea se ha extendido con éxito a tal variedad de dispositivos y frecuencias que probablemente sea bueno generalizar el nombre, tal vez para significar amplificación molecular por emisión estimulada de radiación.
  2. ↑ Entrevista de historia oral del Instituto Americano de Física con Weber
  3. ↑ Mario Bertolotti (2004). La Historia del Láser . Prensa CRC. pag. 180.ISBN​  978-1420033403.
  4. ↑ Gordon, JP; Zeiger, HJ; Townes, CH (1955). "El máser: nuevo tipo de amplificador de microondas, estándar de frecuencia y espectrómetro" . Phys. Rev. 99 ( 4): 1264. Bibcode : 1955PhRv...99.1264G . doi : 10.1103/PhysRev.99.1264 .
  5. ↑ Schawlow, AL; Townes, CH (15 de diciembre de 1958). "Máseres infrarrojos y ópticos" . Physical Review . 112 (6): 1940– 1949. Bibcode : 1958PhRv..112.1940S . doi : 10.1103/PhysRev.112.1940 .
  6. ↑ "El Premio Nobel de Física de 1964" . NobelPrize.org . Consultado el 27 de agosto de 2020 .
  7. ↑ El máser de doble gas noble , Universidad de Harvard, Departamento de Física
  8. ↑ Brumfiel, G. (2012). "El láser de microondas cumple 60 años de promesas". Nature . doi : 10.1038/nature.2012.11199 . S2CID 124247048 . 
  9. ↑ Palmer, Jason (16 de agosto de 2012) .La fuente de haces de microondas tipo "máser" sale del frío . BBC News. Archivado del original el 29 de julio de 2016. Consultado el 23 de agosto de 2012 .
  10. ↑ El láser de microondas cumple 60 años de promesas
  11. ↑ Liu, Ren-Bao (marzo de 2018). "Una era de diamantes de máseres" . Nature . 555 (7697): 447– 449. Bibcode : 2018Natur.555..447L . doi : 10.1038/d41586-018-03215-3 . PMID 29565370 . 
  12. ↑ Científicos utilizan diamante en el primer máser de estado sólido continuo a temperatura ambiente del mundo , phys.org
  13. ↑ Largo, Sofía; López, Lisa; Ford, Bethan; Balembois, François; Montis, Ricardo; Ng, Wern; Arroo, Daan M.; Alford, Neil McN; Torun, Hamdi; Sathian, Juna (9 de julio de 2025). "Máser de estado sólido a temperatura ambiente bombeado por LED" . Ingeniería de Comunicaciones . 4 (1) 122: 1– 7. doi : 10.1038/s44172-025-00455-w . ISSN 2731-3395 . PMC 12241473 . PMID 40634466 .   
  14. ↑ "Amplificadores de bajo ruido: superando los límites del bajo ruido" . Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO).
  15. ↑ Macgregor S. Reid, ed. (2008). "Sistemas de bajo ruido en la red del espacio profundo" (PDF) . JPL.
  16. ↑ "Tiempo y frecuencia de la A a la Z: H" . NIST . 12 de mayo de 2010.
  17. ↑ McGuire, Brett A.; Loomis, Ryan A.; Charness, Cameron M.; Corby, Joanna F.; Blake, Geoffrey A.; Hollis, Jan M.; Lovas, Frank J.; Jewell, Philip R.; Remijan, Anthony J. (2012-10-20). "Carbodiimida interestelar (HNCNH): una nueva detección astronómica del estudio GBT Primos a través de características de emisión máser" . The Astrophysical Journal . 758 (2): L33. arXiv : 1209.1590 . Bibcode : 2012ApJ...758L..33M . doi : 10.1088/2041-8205/758/2/L33 . ISSN 2041-8205 . S2CID 26146516 .  
  18. ↑ Neufeld, David A.; Melnick, Gary J. (1991). "Excitación de máseres de agua milimétricos y submilimétricos en gas astrofísico caliente". Átomos, iones y moléculas: nuevos resultados en astrofísica de líneas espectrales, ASP Conference Series (ASP: San Francisco) . 16 : 163. Bibcode : 1991ASPC...16..163N .
  19. ↑ Tennyson, Jonathan; et al. (marzo de 2013). "Evaluación crítica de la IUPAC de los espectros rotacionales-vibracionales del vapor de agua, Parte III: Niveles de energía y números de onda de transición para H 2 16 O" . Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer . 117 : 29–58 . Bibcode : 2013JQSRT.117...29T . doi : 10.1016/j.jqsrt.2012.10.002 . hdl : 10831/91303 . 
  20. ↑ Taylor, Nick (2000). LÁSER: El inventor, el premio Nobel y la guerra de patentes de treinta años . Nueva York: Simon & Schuster. ISBN 978-0-684-83515-0.
  21. ↑ Taylor, Nick (2000). LÁSER: El inventor, el premio Nobel y la guerra de patentes de treinta años . Nueva York: Simon & Schuster. págs. 66–70 . ISBN  978-0-684-83515-0.

Lecturas adicionales

  • 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.
  • Las Lecciones de Física de Feynman, Vol. III, Cap. 9: El máser de amoníaco
  • Búsqueda en arXiv.org de "máser"
  • «El proyecto del reloj máser de hidrógeno» . Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. Archivado del original el 10 de octubre de 2006.
  • Idea brillante: Los primeros láseres. Archivado el 24/04/2014 en Wayback Machine.
  • Invención del máser y del láser , Sociedad Estadounidense de Física
  • Shawlow y Townes inventan el láser , Laboratorios Bell