Laser de raios gama - Gamma-ray laser
Um laser de raios gama , ou graser , é um dispositivo hipotético que produziria raios gama coerentes , assim como um laser comum produz raios coerentes de luz visível.
Em sua palestra no Nobel de 2003 , Vitaly Ginzburg citou o laser de raios gama como um dos trinta problemas mais importantes da física.
O esforço para construir um laser de raios gama prático é interdisciplinar, abrangendo mecânica quântica , espectroscopia nuclear e óptica , química , física do estado sólido e metalurgia - bem como a geração, moderação e interação de nêutrons - e envolve conhecimento especializado e pesquisa em todos esses campos. O assunto envolve ciência básica e tecnologia de engenharia .
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O problema de obter uma concentração suficiente de estados nucleares excitados ressonantes (isoméricos) para que ocorram emissões estimuladas coletivas gira em torno do alargamento da linha espectral de raios gama . Das duas formas de alargamento, homogénea ampliação é simplesmente o resultado do tempo de vida do estado isomérico: quanto mais curto for o tempo de vida, o mais alargado da linha. O alargamento não homogêneo compreende todos os mecanismos pelos quais a linha alargada homogeneamente é espalhada pelo espectro.
O alargamento não homogêneo mais familiar é o alargamento de recuo Doppler do movimento térmico de moléculas no sólido contendo o isômero excitado e recuo da emissão de raios gama, em que o espectro de emissão é tanto deslocado quanto ampliado. Os isômeros em sólidos podem emitir um componente nítido sobreposto ao fundo ampliado por Doppler; isso é chamado de efeito Mössbauer . Esta radiação sem recuo exibe uma linha nítida no topo do fundo ampliado por Doppler que é apenas ligeiramente deslocada do centro do fundo.
Com o fundo não homogêneo removido e uma linha nítida, parece que temos condições de ganho . Mas outras dificuldades que degradariam o ganho são estados não excitados que absorveriam ressonantemente a radiação, impurezas opacas e perda na propagação através do cristal no qual os núcleos ativos estão embutidos. Muito do último pode ser superado por um alinhamento inteligente de matriz de cristal para explorar a transparência fornecida pelo efeito Borrmann .
Outra dificuldade, o dilema do graser , é que as propriedades que deveriam permitir o ganho e aquelas que permitiriam a densidade de inversão nuclear suficiente parecem incompatíveis. O tempo necessário para ativar, separar, concentrar e cristalizar um número apreciável de núcleos excitados pela radioquímica convencional é de pelo menos alguns segundos. Para garantir que a inversão persista, o tempo de vida do estado excitado deve ser consideravelmente mais longo. Além disso, o aquecimento que resultaria do bombeamento de nêutrons da inversão in situ parece incompatível com a manutenção do efeito Mössbauer, embora ainda haja caminhos a serem explorados.
O aquecimento pode ser reduzido pelo bombeamento de nêutrons gama de dois estágios, no qual a captura de nêutrons ocorre em um conversor dopado pelos pais, onde gera radiação Mössbauer que é então absorvida pelos núcleos do estado fundamental no graser. O bombeamento de dois estágios de vários níveis oferece várias vantagens.
Outra abordagem é usar transições nucleares impulsionadas por oscilações eletrônicas coletivas. O esquema empregaria uma tríade de estados isoméricos: um estado de armazenamento de longa duração, além de um estado laser superior e inferior. O estado de armazenamento seria energeticamente próximo ao estado de laser superior de vida curta, mas separado por uma transição proibida envolvendo uma unidade quântica de momento angular de rotação. O graser seria habilitado por um laser óptico muito intenso para espalhar a nuvem de elétrons para frente e para trás e saturar a transição proibida no campo próximo da nuvem. A população do estado de armazenamento seria então rapidamente equalizada com o estado lasing superior, cuja transição para o estado lasing inferior seria espontânea e estimulada por radiação gama ressonante. Um gráfico "completo" de nuclídeos provavelmente contém um grande número de estados isoméricos, e a existência de tal tríade parece provável, mas ainda não foi encontrada.
As não linearidades podem resultar em harmônicos espaciais e temporais no campo próximo no núcleo, abrindo a gama de possibilidades para transferência rápida do estado de armazenamento para o estado de laser superior usando outros tipos de tríades envolvendo energias de transição em múltiplos da energia quântica do laser óptico e em multipolaridades mais altas.
Leitura adicional
- Balko, B .; Cohen, L .; Pardal, DA; eds. (1989). Lasers de raios gama . Pergamon. ISBN 978-0-08-037015-6 http://www.sciencedirect.com/science/book/9780080370156 Fornece uma visão geral definitiva do status atual dos lasers de raios gama.
- Killus, J. (2006). "O laser gama" . Ironia não intencional . Uma revisão para leigos.