Una descarga de radiofrecuencia de hidrógeno, el primer elemento dentro de un máser de hidrógeno.

Un máser es un dispositivo que produce o amplifica un haz de ondas electromagnéticas altamente intenso y coherente, particularmente en la región de microondas. Históricamente, el término proviene del acrónimo «Amplificación de Microondas por Emisión Estimulada de Radiación».»Los máseres modernos, sin embargo, emiten sobre una amplia porción del espectro electromagnético. Charles H. Townes, quien dirigió el equipo que desarrolló y construyó el primer máser, sugirió reemplazar «microondas» por «molecular» en el acrónimo. Cuando se desarrollaron máseres para operar en la región óptica, inicialmente se denominaron máseres ópticos, pero se ha vuelto más común referirse a ellos como láseres, donde «l» significa «luz».»

Los masers producen una radiación extremadamente aguda con bajo ruido interno y sirven como referencias de frecuencia de alta precisión. El máser de hidrógeno, en particular, es un «estándar de frecuencia atómica» y es útil como una forma de reloj atómico. Dada su alta sensibilidad, los masers también se utilizan como detectores y amplificadores electrónicos en radiotelescopios. Los experimentos que detectaron por primera vez la radiación de fondo cósmico de microondas emplearon un amplificador máser. Esta radiación se ha atribuido al origen del universo en el Big Bang.

Terminología

Como se señaló anteriormente, maser se sugirió inicialmente como un acrónimo de «amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación», para describir dispositivos que emitían en la región de microondas del espectro electromagnético. El principio de emisión estimulada se ha extendido a más dispositivos y frecuencias, por lo que Charles H. Townes sugirió modificar el acrónimo original a «amplificación molecular por emisión estimulada de radiación».

Cuando se desarrolló el láser, Townes, Arthur Schawlow y sus colegas de Bell Labs impulsaron el uso del término máser óptico, pero este fue abandonado en gran medida a 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 se denominan típicamente láseres, y los dispositivos que emiten en la región de microondas y por debajo se denominan comúnmente máseres.

Gould propuso originalmente nombres distintos para 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), masers (máseres de microondas) y rasers (máseres de radiofrecuencia). La mayoría de estos términos, a excepción de máser y láser, nunca se hicieron populares y se han vuelto obsoletos, aparte de su uso en ciencia ficción.

Historia

En los Estados Unidos, la primera conferencia pública sobre los principios subyacentes al máser fue dada por Joseph Weber en la conferencia de junio de 1952 del Instituto de Ingenieros de Radio. Al mismo tiempo, Nikolái Basov y Aleksandr Prokhorov del Instituto de Física de Lebedev describieron la base teórica para el máser en una Conferencia de la Unión sobre Radioespectroscopía celebrada por la Academia de Ciencias de la URSS en mayo de 1952. Posteriormente publicaron sus resultados en octubre de 1954.

Independientemente, Charles H. Townes, J. P. Gordon y H. J. Zeiger construyeron el primer maser en la Universidad de Columbia en 1953. El dispositivo utilizó la emisión estimulada en una corriente de moléculas de amoníaco energizadas para producir amplificación de microondas a una frecuencia de 24 gigahertz. Townes trabajó más tarde con Arthur L. Schawlow para describir el principio del máser óptico, o láser, que fue desarrollado y demostrado por primera vez por Theodore H. Maiman en 1960. Por su investigación en este campo, Townes, Basov y Prokhorov fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1964. Desde 1965, los astrónomos han descubierto fuentes naturales de máseres en el espacio.

Principios generales de funcionamiento

Cuando los átomos o moléculas de una sustancia apropiada (llamada medio) son bombardeados con fotones de una frecuencia particular, entran en un estado de energía «excitada» (superior) y emiten fotones de la misma frecuencia. En este sentido, el máser implica «emisión estimulada» de radiación. Al colocar el medio de amplificación en una cavidad resonante (o resonador de cavidad), se crea retroalimentación que puede producir radiación que es «coherente».»Se dice que las ondas electromagnéticas son coherentes cuando se propagan a la misma frecuencia en la misma fase y se mueven en la misma dirección. Por el contrario, las ondas electromagnéticas de la mayoría de las otras fuentes tienen un rango de frecuencias diferentes, están en diferentes fases (relativas entre sí) y se propagan en prácticamente todas las direcciones.

Las ondas de radio emitidas por un máser tienen casi la misma frecuencia y su transmisión a largas distancias es altamente eficiente. En el primer máser que se desarrolló, el medio en la cavidad resonante fue gas amoniaco. En este caso, las moléculas de amoníaco oscilaban a una frecuencia particular entre dos estados de energía. Más recientemente, se ha desarrollado un máser de rubí, en el que se coloca un cristal de rubí en la cavidad resonante. El máser de gas noble dual es un ejemplo de medio no polar en un máser.

Tipos de máseres

A continuación se indican algunos tipos comunes de máseres. Los nombres indican el medio presente en la cavidad resonante.

Atómica haz masers

• Amoníaco maser
• máser de Hidrógeno

Gas masers

• Rubidio maser

Estado Sólido masers

• Ruby maser.

máser de Hidrógeno

Un máser de hidrógeno.

Hoy en día, el tipo más importante de máser es el máser de hidrógeno, que proporciona una señal oscilante nítida y constante. Se basa en transiciones en el hidrógeno atómico que ocurren a una frecuencia de 1421 megahercios. Este máser se utiliza como un estándar de frecuencia atómica. Junto con otros tipos de relojes atómicos, constituyen el «Temps Atomique International» o TAI. Esta es la escala de tiempo internacional, coordinada por el Bureau International des Poids et Mesures, o BIPM.

Fue Norman Ramsey y sus colegas quienes se dieron cuenta por primera vez de este dispositivo. Los masers de hoy en día son idénticos al diseño original. La oscilación máser se basa en la emisión estimulada entre dos niveles hiperfinos de hidrógeno atómico.

¿Cómo funciona

La siguiente es una breve descripción de cómo un máser de hidrógeno funciona.

• En primer lugar, se produce un haz de hidrógeno atómico exponiendo gas de hidrógeno a baja presión a una descarga de radiofrecuencia. (Vea el recuadro en la parte inferior del diagrama a la derecha.)

• El siguiente paso es conocido como «estado de selección.»Para obtener alguna emisión estimulada, es necesario crear una inversión de población de los átomos, es decir, la mayoría de los átomos deben estar en el estado de energía excitada (en lugar de en un estado de energía inferior). Esto se hace de una manera similar al famoso experimento Stern-Gerlach. Después de pasar a través de una abertura y un campo magnético, muchos de los átomos en el haz quedan en el nivel de energía superior de la transición de láser. A partir de este estado, los átomos pueden decaer al estado de energía inferior y emitir algo de radiación de microondas.

• Una cavidad de microondas de factor de alta 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 define todos los osciladores. La frecuencia de resonancia de la cavidad de microondas es de 1420 405 751,768 Hz, que está sintonizada exactamente con la estructura hiperfina del hidrógeno.

• Una pequeña fracción de la señal en la cavidad de microondas se acopla a un cable coaxial y se envía a un receptor coherente.

• La señal de microondas que sale del máser es muy débil en potencia (unos pocos picovatios (pW)). La frecuencia de la señal es fija pero 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.

Máseres astrofísicos

La emisión estimulada de microondas y ondas de radio se observa en astronomía, y esto generalmente se llama «enmascaramiento», incluso en ausencia de la retroalimentación resonante que se requeriría para un verdadero máser. Técnicamente, esta forma de emisión estimulada se llama emisión superradiante, y está estrechamente asociada con el láser y el enmascaramiento. Dicha emisión se observa a partir de moléculas como el agua (H2O), radicales hidroxilo (OH), metanol (CH3OH), formaldehído (CH2O) y monóxido de silicio (SiO).

La emisión estimulada tipo Máser también ocurre en la naturaleza en el espacio interestelar. Las moléculas de agua en las regiones de formación estelar pueden experimentar una inversión de población y emitir radiación a 22 GHz, creando la línea espectral más brillante del universo de radio. Algunos máseres de agua también emiten radiación desde un modo vibratorio a 96 GHz.

Véase también

• Amoníaco
• espectro Electromagnético
• Hidrógeno
• Láser
• Luz
• Microondas
• Óptica

Notas

• Keating, Michael P. 2002. Óptica Geométrica, Física y Visual. Boston: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.
• Singer, J. R. 1959. Másers. Nueva York: Wiley.Taylor, Nick. 2000. LASER: The inventor, the Nobel laureate, and the thirty-year patent war (en inglés). New York: Simon & Schuster. ISBN 0684835150.
• Vanier, J., y C. Audoin. 1989. The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards (en inglés). Filadelfia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.