Het onhandige neefje van de laser

De maser (afkorting van: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) zou wel eens op zijn weg terug kunnen zijn. Wetenschappers van het National Physical Laboratory en Imperial College in het Verenigd Koninkrijk kondigden vorige week in het tijdschrift Nature de eerste maser aan die werkt bij kamertemperatuur, zonder de noodzaak van een vacuüm of een sterk magnetisch veld. Een doorbraak, want daarmee kan alle randapparatuur (koeling, vacuümpompen en magneten) die nodig was voor een werkende maser overboord en wordt de weg vrijgemaakt voor een brede inzetbaarheid van de techniek. ‘Sinds een halve eeuw is de maser eigenlijk vergeten, het was altijd het onhandige neefje van de laser’, schrijft auteur Mark Oxborrow op de website van het National Physical Laboratory naar aanleiding van de ontdekking.

Fotonen losweken met fotonen

Masers en lasers werken beiden volgens een principe dat Albert Einstein in 1917 voor het eerst beschreef. De Duitse natuurkundige voorspelde toen dat een foton dat een interactie aangaat met een atoom daar een nieuw foton kan losmaken met precies dezelfde eigenschappen als het zelf heeft (zoals de fase, frequentie of polarisatie). De energie voor dat nieuwe foton wordt gehaald uit een elektron in het atoom dat van een aangeslagen naar een lagere energietoestand valt. Dit principe van fotonen ‘losweken’ met fotonen ging de boeken in als gestimuleerde emissie. Een principe waar wetenschappers een kleine veertig jaar later handig gebruik van maakten bij de ontwikkeling van de eerste maser.

De saffieren ring bevat een kristal waaruit fotonen los lukken worden gemaakt. Deze dient als kern van een maser.

National Physical Laboratory/Imperial College

National Physical Laboratory/Imperial College

Die bevat een ruimte waarin atomen met elektromagnetische velden worden geëxciteerd en vastgehouden. Fotonen die vrijkomen uit deze atomen zijn volgens het hierboven beschreven principe in staat nieuwe fotonen los te maken uit andere atomen. Door de fotonen zo vaak mogelijk door deze ruimte te kaatsen ontstaat er een kettingreactie waarbij de straling steeds sterker wordt. Uit een opening in de maser kan vervolgens een bundel van geconcentreerde microgolfstraling ontsnappen.

In 1964 ontvingen Nicolay Basov, Aleksandr Prochorov en Charles Townes de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun bijdrage aan de eerste maser. De zoektocht naar de optische variant van de maser was ondertussen al voltooid. In 1960 was werd de eerste werkende laser gemaakt, een directe afgeleide van de maser waarbij de ‘m’ van microwave was omgedoopt tot de ‘l’ van light.

De laser vinden we – naast op dansfeesten – bijna overal.

Wikimedia Commons / Sledzik1984

Wikimedia Commons / Sledzik1984

Herleving van de maser

De successen van de maser bleven beperkt. We vinden ze nu terug in versterkers voor de extreem zwakke signalen van bijvoorbeeld verre ruimtesondes of als onderdeel van atoomklokken. Dat is niet onverdienstelijk, maar het staat in schril contrast met de zegetocht van de laser. De laser is vandaag de dag overal; in ziekenhuizen, in laboratoria, in de industrie, op het slagveld en op dansfeesten. De lijst lijkt schier oneindig.

Maar de maser kan wel eens een herleving krijgen, schrijven de auteurs van het Nature-artikel. De maser van Oxborrow en zijn collega’s Jonathan Breeze en Neil Alford van Imperial College zou uiteindelijk deel kunnen gaan uitmaken van gevoeligere medische scanners, moleculaire detectors voor bijvoorbeeld explosieven en betere radiotelescopen voor het ontdekken sporen van leven op exoplaneten.

De maser maakt gebruik van een kristal van twee aromatische verbindingen, pentaceen en terfenyl. Door hier met een sterke laser (!) lichtpulsen op af te vuren worden elektronen in de verbindingen geëxciteerd en begint de bovenbeschreven kettingreactie die ongeveer even lang duurt als de ingaande lichtpuls van de laser. En dat zonder de nadelen van eerdere masers. Die maakten onder andere gebruik van robijnkristallen die tot dichtbij het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius) gekoeld moesten worden en bovendien een sterk magnetisch veld vereisten.

Verbeteringen

Er zijn nog voldoende verbeteringen te doen aan de nieuwe maser, stellen de wetenschappers. Het team wil de laser continu laten schijnen, in plaats van de gepulste bundel die hij nu voortbrengt en ze willen proberen om de maser zo aan te passen dat de golflengte van de microgolven aangepast kan worden. Daarnaast willen ze een poging doen om het ongeveer 20 centimeter grote apparaat hanteerbaarder te maken. Misschien kan de maser zo voorzichtig beginnen aan een inhaalslag op zijn populaire neef, de laser.