Un láser de rayos gamma , o graser , es un dispositivo hipotético que produciría rayos gamma coherentes , al igual que un láser ordinario produce rayos coherentes de luz visible. [1]
En su conferencia Nobel de 2003 , Vitaly Ginzburg citó al láser de rayos gamma como uno de los treinta problemas más importantes de la física. [2]
El esfuerzo por construir un láser de rayos gamma práctico es interdisciplinario, y abarca la mecánica cuántica , la espectroscopia óptica y nuclear , la química , la física del estado sólido y la metalurgia , así como la generación, moderación e interacción de neutrones , e implica conocimientos especializados y investigación en todos estos campos. La asignatura involucra tanto ciencia básica como tecnología de ingeniería . [3]
Investigar
El problema de obtener una concentración suficiente de estados nucleares excitados resonantes (isoméricos) para que se produzca la emisión estimulada colectiva gira en torno a la ampliación de la línea espectral de rayos gamma . [4] De las dos formas de ensanchamiento, homogénea ensanchamiento es simplemente el resultado de la vida útil del estado isomérico: cuanto más corto el tiempo de vida, más amplió la línea. [5] [6] [7] [8] El ensanchamiento no homogéneo comprende todos los mecanismos mediante los cuales la línea ensanchada homogéneamente se extiende sobre el espectro. [9]
El ensanchamiento no homogéneo más conocido es el ensanchamiento del retroceso Doppler por el movimiento térmico de las moléculas en el sólido que contiene el isómero excitado y el retroceso por la emisión de rayos gamma, en el que el espectro de emisión se desplaza y se ensancha. Los isómeros de los sólidos pueden emitir un componente nítido superpuesto al fondo ensanchado por Doppler; esto se llama efecto Mössbauer . [10] Esta radiación sin retroceso exhibe una línea nítida en la parte superior del fondo ensanchado por Doppler que está solo ligeramente desplazado desde el centro del fondo. [11] [12] [13] [14] [15]
Con el fondo no homogéneo eliminado y una línea nítida, parecería que tenemos las condiciones para ganar . [16] [17] [18] Pero otras dificultades que degradarían la ganancia son los estados no excitados que absorberían resonantemente la radiación, las impurezas opacas y la pérdida de propagación a través del cristal en el que están incrustados los núcleos activos. [19] Gran parte de estos últimos pueden superarse mediante una inteligente alineación de cristales de matriz [20] para aprovechar la transparencia proporcionada por el efecto Borrmann . [21] [22] [23]
Otra dificultad, el dilema de graser , es que las propiedades que deberían permitir la ganancia y las que permitirían una densidad de inversión nuclear suficiente parecen incompatibles. [24] [25] El tiempo necesario para activar, separar, concentrar y cristalizar un número apreciable de núcleos excitados mediante radioquímica convencional es de al menos unos pocos segundos. Para asegurar que la inversión persista, la vida útil del estado excitado debe ser considerablemente más larga. Además, el calentamiento que resultaría del bombeo de neutrones de la inversión in situ parece incompatible con el mantenimiento del efecto Mössbauer, aunque todavía quedan vías por explorar. [ cita requerida ]
El calentamiento puede reducirse mediante bombeo de neutrones gamma en dos etapas, [26] en el que la captura de neutrones se produce en un convertidor dopado principal, donde genera radiación Mössbauer que luego es absorbida por núcleos en estado fundamental en el graser. [27] El bombeo en dos etapas de múltiples niveles ofrece múltiples ventajas. [28] [29] [ aclaración necesaria ]
Otro enfoque es utilizar transiciones nucleares impulsadas por oscilaciones electrónicas colectivas. [30] [31] El esquema emplearía una tríada de estados isoméricos: un estado de almacenamiento de larga duración, además de un estado láser superior e inferior. El estado de almacenamiento estaría energéticamente cerca del estado de láser superior de corta duración, pero separado por una transición prohibida que involucra una unidad cuántica de momento angular de giro. El graser estaría habilitado por un láser óptico muy intenso para sacudir la nube de electrones hacia adelante y hacia atrás y saturar la transición prohibida en el campo cercano de la nube. La población del estado de almacenamiento se igualaría entonces rápidamente con el estado de láser superior, cuya transición al estado de láser inferior sería tanto espontánea como estimulada por radiación gamma resonante. Es probable que una tabla "completa" de núclidos contenga una gran cantidad de estados isoméricos, y la existencia de tal tríada parece probable, pero aún no se ha encontrado. [20] [32]
Las no linealidades pueden resultar en armónicos espaciales y temporales en el campo cercano en el núcleo, [33] [34] abriendo el rango de posibilidades para una transferencia rápida desde el estado de almacenamiento al estado de láser superior usando otros tipos de tríadas que involucran energías de transición en múltiplos de la energía cuántica del láser óptico y en multipolaridades superiores.
Otras lecturas
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- Killus, J. (2006). "El láser gamma" . Ironía involuntaria . Una revisión para legos.
Referencias
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