Una scarica a radiofrequenza di idrogeno, il primo elemento all’interno di un maser di idrogeno.

Un maser è un dispositivo che produce o amplifica un fascio altamente intenso e coerente di onde elettromagnetiche, in particolare nella regione delle microonde. Storicamente, il termine deriva dall’acronimo “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.”I maser moderni, tuttavia, emettono su un’ampia porzione dello spettro elettromagnetico. Charles H. Townes, che ha guidato il team che ha sviluppato e costruito il primo maser, ha quindi suggerito di sostituire “microonde” con “molecolare” nell’acronimo. Quando i maser sono stati sviluppati per operare nella regione ottica, sono stati inizialmente chiamati maser ottici, ma è diventato più comune riferirsi a loro come laser, dove “l” sta per “luce.”

I maser producono radiazioni estremamente nitide con basso rumore interno e servono come riferimenti di frequenza ad alta precisione. Il maser idrogeno, in particolare, è uno” standard di frequenza atomica ” ed è utile come una forma di orologio atomico. Data la loro elevata sensibilità, i maser sono utilizzati anche come rivelatori e amplificatori elettronici nei radiotelescopi. Gli esperimenti che per primi rilevarono la radiazione cosmica di fondo a microonde impiegarono un amplificatore maser. Questa radiazione è stata attribuita all’origine del Big Bang dell’universo.

Terminologia

Come notato sopra, maser è stato inizialmente suggerito come acronimo di “microwave amplification by stimulated emission of radiation”, per descrivere i dispositivi emessi nella regione delle microonde dello spettro elettromagnetico. Il principio di emissione stimolata da allora è stato esteso a più dispositivi e frequenze, e così Charles H. Townes ha suggerito di modificare l’acronimo originale di “amplificazione molecolare mediante emissione stimolata di radiazioni.”

Quando il laser è stato sviluppato, Townes, Arthur Schawlow, ei loro colleghi di Bell Labs spinto l’uso del termine maser ottico, ma questo è stato in gran parte abbandonato a favore di laser, coniato dal loro rivale Gordon Gould. Nell’uso moderno, i dispositivi che emettono nei raggi X attraverso porzioni infrarosse dello spettro sono tipicamente chiamati laser e i dispositivi che emettono nella regione delle microonde e al di sotto sono comunemente chiamati maser.

Gould originariamente propose nomi distinti per i dispositivi che emettono in ciascuna porzione dello spettro, inclusi i graser (laser a raggi gamma), gli xaser (laser a raggi X), gli uvaser (laser ultravioletti), i laser (laser visibili), gli iraser (laser a infrarossi), i maser (maser a microonde) e i raser (maser a radiofrequenza). La maggior parte di questi termini, ad eccezione di maser e laser, non ha mai preso piede e sono diventati obsoleti, a parte il loro uso nella fantascienza.

Storia

Negli Stati Uniti, la prima conferenza pubblica sui principi alla base del maser fu tenuta da Joseph Weber alla conferenza del giugno 1952 dell’Institute of Radio Engineers. Nello stesso periodo, Nikolay Basov e Alexander Prokhorov dell’Istituto di Fisica Lebedev descrissero le basi teoriche per il maser in una conferenza di tutta l’Unione sulla radio-spettroscopia tenuta dall’Accademia delle Scienze dell’URSS nel maggio 1952. Successivamente pubblicarono i loro risultati nell’ottobre 1954.

Indipendentemente, Charles H. Townes, J. P. Gordon e H. J. Zeiger costruirono il primo maser alla Columbia University nel 1953. Il dispositivo utilizzato emissione stimolata in un flusso di molecole di ammoniaca eccitati per produrre amplificazione di microonde ad una frequenza di 24 gigahertz. Townes in seguito ha lavorato con Arthur L. Schawlow per descrivere il principio del maser ottico, o laser, che è stato sviluppato e dimostrato da Theodore H. Maiman nel 1960. Per le loro ricerche in questo campo, Townes, Basov e Prokhorov hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1964. Dal 1965, gli astronomi hanno scoperto fonti naturali di maser nello spazio.

Principi generali di funzionamento

Quando atomi o molecole di una sostanza appropriata (chiamata mezzo) sono bombardati da fotoni di una particolare frequenza, entrano in uno stato di energia “eccitato” (superiore) ed emettono fotoni della stessa frequenza. In questo senso, il maser comporta “emissione stimolata” di radiazioni. Mettendo il mezzo di amplificazione in una cavità risonante (o risonatore a cavità), viene creato un feedback che può produrre radiazioni “coerenti.”Si dice che le onde elettromagnetiche siano coerenti quando vengono propagate alla stessa frequenza nella stessa fase e si muovono nella stessa direzione. Al contrario, le onde elettromagnetiche della maggior parte delle altre fonti hanno una gamma di frequenze diverse, sono in diverse fasi (l’una rispetto all’altra) e sono propagate praticamente in tutte le direzioni.

Le onde radio emesse da un maser hanno quasi la stessa frequenza e la loro trasmissione su lunghe distanze è altamente efficiente. Nel primo maser da sviluppare, il mezzo nella cavità risonante era il gas di ammoniaca. In questo caso, le molecole di ammoniaca oscillavano ad una particolare frequenza tra due stati energetici. Più recentemente, è stato sviluppato un rubino maser, in cui un cristallo rubino è posto nella cavità risonante. Il maser a doppio gas nobile è un esempio di mezzo non polare in un maser.

Tipi di maser

Alcuni tipi comuni di maser sono indicati di seguito. I nomi indicano il mezzo presente nella cavità risonante.

Maser a raggi atomici

• Maser ad ammoniaca
• Maser ad idrogeno

Maser a gas

• Maser al rubidio

Maser allo stato solido

• Maser al rubino.

Maser idrogeno

Un maser idrogeno.

Oggi, il tipo più importante di maser è il maser idrogeno, che fornisce un segnale oscillante acuto e costante. Si basa sulle transizioni nell’idrogeno atomico che si verificano ad una frequenza di 1421 megahertz. Questo maser è usato come standard di frequenza atomica. Insieme ad altri tipi di orologi atomici, costituiscono il “Temps Atomique International” o TAI. Questa è la scala temporale internazionale, coordinata dal Bureau International des Poids et Mesures, o BIPM.

Sono stati Norman Ramsey e i suoi colleghi a realizzare per primi questo dispositivo. I maser di oggi sono identici al design originale. L’oscillazione di maser si basa sull’emissione stimolata tra due livelli iperfini di idrogeno atomico.

Come funziona

Di seguito è riportata una breve descrizione di come funziona un maser a idrogeno.

• In primo luogo, un fascio di idrogeno atomico viene prodotto esponendo gas idrogeno a bassa pressione a una scarica a radiofrequenza. (Vedi il riquadro in fondo al diagramma a destra.)

• Il passo successivo è noto come “selezione dello stato.”Per ottenere qualche emissione stimolata, è necessario creare un’inversione di popolazione degli atomi—cioè, la maggior parte degli atomi deve essere nello stato di energia eccitato (piuttosto che in uno stato di energia inferiore). Questo è fatto in modo simile al famoso esperimento Stern-Gerlach. Dopo aver attraversato un’apertura e un campo magnetico, molti degli atomi nel fascio sono lasciati nel livello di energia superiore della transizione lasing. Da questo stato, gli atomi possono decadere allo stato di energia inferiore ed emettere alcune radiazioni a microonde.

• Una cavità a microonde di alta qualità confina le microonde e le reinserisce ripetutamente nel raggio atomico. L’emissione stimolata amplifica le microonde su ogni passaggio attraverso il fascio. Questa combinazione di amplificazione e feedback definisce tutti gli oscillatori. La frequenza di risonanza della cavità a microonde è 1420 405 751,768 Hz, che è esattamente sintonizzata sulla struttura iperfina dell’idrogeno.

• Una piccola frazione del segnale nella cavità a microonde viene accoppiata in un cavo coassiale e inviata a un ricevitore coerente.

• Il segnale a microonde che esce dal maser è molto debole nella potenza (pochi picowatt (pW)). La frequenza del segnale è fissa ma estremamente stabile. Il ricevitore coerente viene utilizzato per amplificare il segnale e modificare la frequenza. Questo viene fatto utilizzando una serie di loop bloccati in fase e un oscillatore al quarzo ad alte prestazioni.

Maser astrofisici

L’emissione stimolata di microonde e onde radio è osservata in astronomia, e questo è solitamente chiamato “masing”, anche in assenza del feedback risonante che sarebbe richiesto per un vero maser. Tecnicamente, questa forma di emissione stimolata è chiamata emissione superradiante ed è strettamente associata a lasing e masing. Tale emissione è osservata da molecole come acqua (H2O), radicali idrossilici (OH), metanolo (CH3OH), formaldeide (CH2O) e monossido di silicio (SiO).

L’emissione stimolata simile a Maser si verifica anche in natura nello spazio interstellare. Le molecole d’acqua nelle regioni di formazione stellare possono subire un’inversione di popolazione ed emettere radiazioni a 22 GHz, creando la linea spettrale più luminosa dell’universo radio. Alcuni maser d’acqua emettono anche radiazioni da una modalità vibrazionale a 96 GHz.

Vedi anche

• Ammoniaca
• spettro Elettromagnetico
• Idrogeno
• Laser
• Luce
• forno a Microonde
• Ottica

Note

• Keating, Michael P. 2002. Ottica geometrica, fisica e visiva. Boston: Butterworth-Heinemann. ISBN 0750672625.
• Singer, J. R. 1959. Maser. – Wiley.il mio nome è Taylor 2000. LASER: L’inventore, il premio Nobel e la guerra dei brevetti trentennale. New York: Simon & Schuster. ISBN 0684835150.
• Vanier, J., e C. Audoin. 1989. La fisica quantistica degli standard di frequenza atomica. Filadelfia: A. Hilger. ISBN 9780852744338.