Maser - Maser

Primeiro protótipo de maser de amônia e inventor Charles H. Townes . O bocal de amônia está à esquerda da caixa, as quatro hastes de latão no centro são o seletor de estado quadrupolo e a cavidade ressonante está à direita. As microondas de 24 GHz saem pelo guia de ondas vertical que Townes está ajustando. No fundo estão as bombas de vácuo.

Uma descarga de radiofrequência de hidrogênio, o primeiro elemento dentro de um maser de hidrogênio (ver descrição abaixo)

A radiação ( / m eɪ z ər / , um acrónimo para amplificação de micro-ondas por emissão estimulada de radiação ) é um dispositivo que produz coerentes de ondas electromagnéticas através de amplificação por emissão estimulada . O primeiro maser foi construído por Charles H. Townes , James P. Gordon e Herbert J. Zeiger na Universidade de Columbia em 1953. Townes, Nikolay Basov e Alexander Prokhorov receberam o Prêmio Nobel de Física de 1964 pelo trabalho teórico que levou ao maser. Masers são usados ​​como dispositivos de cronometragem em relógios atômicos e como amplificadores de micro-ondas de ruído extremamente baixo em radiotelescópios e estações terrestres de comunicação de espaçonaves .

Os masers modernos podem ser projetados para gerar ondas eletromagnéticas não apenas em frequências de micro-ondas, mas também em frequências de rádio e infravermelho. Por essa razão, Charles Townes sugeriu substituir "micro-ondas" pela palavra "molecular" como a primeira palavra na sigla maser .

O laser funciona pelo mesmo princípio do maser, mas produz radiação coerente de frequência mais alta em comprimentos de onda visíveis. O maser foi o precursor do laser, inspirando o trabalho teórico de Townes e Arthur Leonard Schawlow que levou à invenção do laser em 1960 por Theodore Maiman . Quando o oscilador óptico coerente foi imaginado pela primeira vez em 1957, ele foi originalmente chamado de "maser óptico". Isso foi finalmente alterado para laser para "Amplificação de luz por emissão estimulada de radiação". Gordon Gould é responsável pela criação desta sigla em 1957.

História

Os princípios teóricos que regem a operação de um maser foram descritos pela primeira vez por Joseph Weber da University of Maryland, College Park na Electron Tube Research Conference em junho de 1952 em Ottawa , com um resumo publicado em junho de 1953 Transactions of the Institute of Radio Engineers Professional Group on Electron Devices, e simultaneamente por Nikolay Basov e Alexander Prokhorov do Lebedev Institute of Physics em uma All-Union Conference on Radio-Spectroscopy realizada pela Academia de Ciências da URSS em maio de 1952, posteriormente publicada em outubro de 1954.

Independentemente, Charles Hard Townes , James P. Gordon e HJ Zeiger construíram o primeiro maser de amônia na Universidade de Columbia em 1953. Este dispositivo usou emissão estimulada em um fluxo de moléculas de amônia energizadas para produzir amplificação de microondas a uma frequência de cerca de 24,0 gigahertz . Townes mais tarde trabalhou com Arthur L. Schawlow para descrever o princípio do maser óptico , ou laser , do qual Theodore H. Maiman criou o primeiro modelo funcional em 1960.

Por suas pesquisas no campo da emissão estimulada, Townes, Basov e Prokhorov receberam o Prêmio Nobel de Física em 1964.

Tecnologia

O maser é baseado no princípio da emissão estimulada proposto por Albert Einstein em 1917. Quando os átomos foram induzidos a um estado de energia excitada, eles podem amplificar a radiação em uma frequência particular para o elemento ou molécula usada como meio de masing (semelhante ao que ocorre no meio laser em um laser).

Ao colocar tal meio de amplificação em uma cavidade ressonante , é criado feedback que pode produzir radiação coerente .

Alguns tipos comuns

• Masers de feixe atômico
  • Maser de amônia
  • Maser de elétron livre
  • Maser de hidrogênio
• Masers de gás
  • Maser de rubídio
  • Corante líquido e laser químico
• Masers de estado sólido
  • Ruby maser
  • Modos de galeria de sussurros maser de safira de ferro
• Maser de gás nobre duplo (O gás nobre duplo de um meio de masing que é não polar .)

Desenvolvimentos do século 21

Em 2012, uma equipe de pesquisa do National Physical Laboratory e do Imperial College London desenvolveu um maser de estado sólido que operava em temperatura ambiente usando p-Terfenil dopado com pentaceno e bombeado opticamente como meio amplificador. Ele produziu pulsos de emissão maser com duração de algumas centenas de microssegundos.

Em 2018, uma equipe de pesquisa do Imperial College London e University College London demonstrou a oscilação maser de onda contínua usando diamantes sintéticos contendo defeitos de vacância de nitrogênio .

Usos

Masers servem como referências de frequência de alta precisão . Esses "padrões de frequência atômica" são uma das muitas formas de relógios atômicos . Masers também foram usados ​​como amplificadores de micro-ondas de baixo ruído em radiotelescópios , embora tenham sido amplamente substituídos por amplificadores baseados em FETs .

Durante o início da década de 1960, o Laboratório de Propulsão a Jato desenvolveu um maser para fornecer amplificação de ruído ultrabaixo dos sinais de microondas da banda S recebidos de sondas espaciais. Este maser usava hélio profundamente refrigerado para resfriar o amplificador a uma temperatura de 4  kelvin . A amplificação foi alcançada excitando um pente de rubi com um klystron de 12,0 gigahertz . Nos primeiros anos, demorava dias para resfriar e remover as impurezas das linhas de hidrogênio. A refrigeração era um processo de dois estágios com uma grande unidade Linde no solo e um compressor crosshead dentro da antena. A injeção final foi a 21 MPa (3.000 psi) através de uma entrada ajustável por micrômetro de 150 μm (0,006 pol.) Na câmara. A temperatura de ruído do sistema inteiro olhando para o céu frio (2,7  kelvin na banda de micro-ondas) era de 17 kelvin. Isso deu um valor de ruído tão baixo que a sonda espacial Mariner IV poderia enviar imagens estáticas de Marte de volta para a Terra , embora a potência de saída de seu transmissor de rádio fosse de apenas 15  watts e, portanto, a potência total do sinal recebido foi de apenas -169  decibéis com em relação a um miliwatt  (dBm).

Maser de hidrogênio

Um maser de hidrogênio.

O maser de hidrogênio é usado como um padrão de frequência atômica . Junto com outros tipos de relógios atômicos, eles ajudam a formar o padrão do Tempo Atômico Internacional ("Temps Atomique International" ou "TAI" em francês). Esta é a escala de tempo internacional coordenada pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas . Norman Ramsey e seus colegas primeiro conceberam o maser como um padrão de tempo. Masers mais recentes são praticamente idênticos ao seu design original. As oscilações do Maser dependem da emissão estimulada entre dois níveis de energia hiperfina do hidrogênio atômico . Aqui está uma breve descrição de como eles funcionam:

• Primeiro, um feixe de hidrogênio atômico é produzido. Isso é feito enviando o gás em baixa pressão a uma descarga de ondas de rádio de alta frequência (veja a imagem nesta página).
• A próxima etapa é a "seleção de estado" - para obter alguma emissão estimulada, é necessário criar uma inversão populacional dos átomos. Isso é feito de uma maneira muito semelhante ao experimento Stern-Gerlach . Depois de passar por uma abertura e um campo magnético, muitos dos átomos no feixe são deixados no nível de energia superior da transição de laser. Deste estado, os átomos podem decair para o estado inferior e emitir alguma radiação de microondas.
• Uma cavidade de microondas de alto fator Q ( fator de qualidade) confina as microondas e as reinjeta repetidamente no feixe do átomo. A emissão estimulada amplifica as microondas em cada passagem pelo feixe. Essa combinação de amplificação e feedback é o que define todos os osciladores . A frequência ressonante da cavidade de microondas é sintonizada com a frequência da transição de energia hiperfina do hidrogênio: 1.420.405.752 hertz .
• Uma pequena fração do sinal na cavidade de microondas é acoplada a um cabo coaxial e enviada a um receptor de rádio coerente .
• O sinal de microondas que sai do maser é muito fraco (alguns picowatts ). A frequência do sinal é fixa e extremamente estável. O receptor coerente é usado para amplificar o sinal e alterar a frequência. Isso é feito usando uma série de loops de bloqueio de fase e um oscilador de quartzo de alto desempenho .

Masers astrofísicos

A emissão estimulada do tipo Maser também foi observada na natureza a partir do espaço interestelar , e é freqüentemente chamada de "emissão superradiante" para distingui-la dos masers de laboratório. Essa emissão é observada a partir de moléculas como água (H ₂ O), radicais hidroxila ( • OH ), metanol (CH ₃ OH), formaldeído (HCHO) e monóxido de silício (SiO). As moléculas de água em regiões de formação de estrelas podem sofrer uma inversão populacional e emitir radiação em cerca de 22,0  GHz , criando a linha espectral mais brilhante do universo de rádio. Alguns masers de água também emitem radiação de uma transição rotacional a uma frequência de 96 GHz.

Masers extremamente poderosos, associados a núcleos galácticos ativos , são conhecidos como megamasers e são até um milhão de vezes mais poderosos do que masers estelares.

Terminologia

O significado do termo maser mudou ligeiramente desde sua introdução. Inicialmente a sigla era universalmente dada como "amplificação de microondas por emissão estimulada de radiação", que descrevia dispositivos que emitiam na região de microondas do espectro eletromagnético .

O princípio e o conceito de emissão estimulada foram estendidos a mais dispositivos e frequências. Assim, a sigla original é às vezes modificada, como sugerido por Charles H. Townes, para " amplificação molecular por emissão estimulada de radiação". Alguns afirmaram que os esforços de Townes para estender a sigla dessa forma foram motivados principalmente pelo desejo de aumentar a importância de sua invenção e de sua reputação na comunidade científica.

Quando o laser foi desenvolvido, Townes e Schawlow e seus colegas da Bell Labs promoveram o uso do termo maser óptico , mas isso foi amplamente abandonado em favor do laser , cunhado por seu rival Gordon Gould. No uso moderno, dispositivos que emitem raios-X através de porções infravermelhas do espectro são normalmente chamados de lasers , e dispositivos que emitem na região de micro-ondas e abaixo são comumente chamados de masers , independentemente de emitirem microondas ou outras frequências.

Gould propôs originalmente nomes distintos para dispositivos que emitem em cada porção do espectro, incluindo grasers ( lasers de raios gama ), xasers (lasers de raios X), uvasers ( lasers ultravioleta ), lasers ( lasers visíveis ), irasers ( lasers infravermelhos ), masers ( masers de microondas) e rasers ( masers de RF ). A maioria desses termos nunca pegou, no entanto, e todos agora se tornaram (exceto na ficção científica) obsoletos, exceto para maser e laser .

Na cultura popular

Na franquia Godzilla , as Forças de Autodefesa Japonesas (JSDF) costumam usar tanques maser fictícios em um esforço inútil para defender o Japão de Godzilla e outros Kaiju .

Veja também

• Spaser
• Lista de tipos de laser

Referências

Leitura adicional

• JR Singer, Masers , John Whiley and Sons Inc., 1959.
• J. Vanier, C. Audoin, The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards , Adam Hilger, Bristol, 1989.

links externos

• arXiv.org procure por "maser"
• Maser de gás nobre
• "The Hydrogen Maser Clock Project" . Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Arquivado do original em 10/10/2006.
• Ideia brilhante: os primeiros lasers
• Invenção do Maser e Laser , American Physical Society
• Shawlow e Townes Invent the Laser , Bell Labs