Láser de rayos gamma - Enciclopedia

Un láser de rayos gamma, o graser, es un dispositivo hipotético que produciría rayos gamma coherentes, al igual que un láser común produce rayos de luz visible coherentes. Las aplicaciones potenciales para los láseres de rayos gamma incluyen la imagenología médica, la propulsión de naves espaciales y el tratamiento del cáncer.
En su conferencia Nobel de 2003, Vitaly Ginzburg mencionó el láser de rayos gamma como uno de los 30 problemas más importantes en la física.
El esfuerzo por construir un láser de rayos gamma práctico es interdisciplinario, abarcando mecánica cuántica, espectroscopia nuclear y óptica, química, física del estado sólido y metalurgia, así como la generación, modulación y interacción de neutrones, y requiere conocimientos y investigación especializados en todos estos campos. El tema implica tanto ciencia básica como tecnología de ingeniería.


Investigación
El problema de obtener una concentración suficiente de estados nucleares excitados (isoméricos) resonantes para que ocurra la emisión estimulada colectiva se basa en el ensanchamiento de la línea espectral de rayos gamma. De las dos formas de ensanchamiento, el ensanchamiento homogéneo es el resultado de la vida media del estado isomérico: cuanto más corto sea la vida media, más ensanchada será la línea. El ensanchamiento inhomogéneo comprende todos los mecanismos por los cuales la línea ensanchada homogéneamente se extiende a lo largo del espectro.
El ensanchamiento inhomogéneo más familiar es el ensanchamiento de retroceso Doppler debido al movimiento térmico de las moléculas en el sólido que contiene el isómero excitado y el retroceso debido a la emisión de rayos gamma, en el que el espectro de emisión se desplaza y ensancha. Los isómeros en sólidos pueden emitir un componente agudo superpuesto sobre el fondo ensanchado por Doppler; esto se llama efecto Mössbauer. Esta radiación sin retroceso muestra una línea aguda sobre el fondo ensanchado por Doppler que se desplaza solo ligeramente desde el centro del fondo.
Con el fondo inhomogéneo eliminado y una línea aguda, parece que tenemos las condiciones para la ganancia. Pero otras dificultades que degradarían la ganancia son los estados no excitados que absorberían la radiación resonantemente, las impurezas opacas y la pérdida en la propagación a través del cristal en el que están incrustados los núcleos activos. Mucha de esta última puede superarse mediante una alineación inteligente de cristales de matriz para explotar la transparencia proporcionada por el efecto Borrmann.
Otra dificultad, el dilema del graser, es que las propiedades que deberían permitir la ganancia y las que permitirían una densidad de inversión nuclear suficiente parecen incompatibles. El tiempo requerido para activar, separar, concentrar y cristalizar una cantidad significativa de núcleos excitados mediante la radioquímica convencional es al menos unos pocos segundos. Para asegurar que la inversión persista, la vida media del estado excitado debe ser considerablemente más larga. Además, el calentamiento que resultaría de la inyección de neutrones in situ parece incompatible con mantener el efecto Mössbauer, aunque aún hay vías por explorar.
El calentamiento puede reducirse mediante el bombeo de neutrones-gamma en dos etapas, en el que la captura de neutrones ocurre en un convertidor dopado de padre, donde genera radiación Mössbauer que luego es absorbida por los núcleos en estado fundamental en el graser.
El bombeo en dos etapas de múltiples niveles ofrece múltiples ventajas.
Otra aproximación es utilizar transiciones nucleares impulsadas por oscilaciones colectivas de electrones. El esquema emplearía un tríada de estados isoméricos: un estado de almacenamiento de larga vida, además de un estado de láser superior e inferior.
El estado de almacenamiento estaría energéticamente cerca del estado de láser superior de corta vida, pero separado por una transición prohibida que implica una unidad cuántica de momento angular de spin.
El graser sería habilitado por un láser óptico muy intenso para oscilar la nube de electrones de ida y vuelta y saturar la transición prohibida en el campo cercano de la nube.
La población del estado de almacenamiento se igualaría rápidamente con el estado de láser superior, cuyo paso al estado de láser inferior sería tanto espontáneo como estimulado por radiación gamma resonante. Un "catálogo completo" de núcleos probablemente contenga un gran número de estados isoméricos, y la existencia de tal tríada parece probable, aunque aún no se ha encontrado.
Las no linealidades pueden dar lugar a armónicos espaciales y temporales en el campo cercano del núcleo, abriendo el rango de posibilidades para una transferencia rápida desde el estado de almacenamiento al estado de láser superior utilizando otros tipos de tríadas que involucran energías de transición en múltiplos de la energía cuántica del láser óptico y en multipolaridades más altas.


Ver también
Emisión de rayos gamma inducida por partículas


Referencias


Leer más
B, Balko; Cohen, L; Sparrow, D A (1988). Gamma-Ray Lasers. doi:10.1016/C2009-0-11129-7. ISBN 978-0-08-037015-6.
Balko, Bohdan; Cohen, Leslie; Sparrow, David A (1986). Investigation of the Feasibility of Developing a Laser Using Nuclear Transitions (Informe). DTIC ADA205318.
Killus, J. (2006). "The Gamma Laser". Ironía Inintencional.