Láser de rayos gamma

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 ]} Las posibles aplicaciones de los láseres de rayos gamma incluyen imágenes médicas , propulsión de naves espaciales y tratamiento del cáncer. ^{[ 2 ]}

En su discurso de aceptación del Premio Nobel de 2003 , Vitaly Ginzburg citó el láser de rayos gamma como uno de los 30 problemas más importantes de la física. ^{[ 3 ]}

El esfuerzo por construir un láser de rayos gamma práctico es interdisciplinario y abarca la mecánica cuántica , la espectroscopia nuclear y óptica , la química , la física del estado sólido y la metalurgia , así como la generación, moderación e interacción de neutrones . Requiere conocimientos especializados e investigación en todos estos campos. El tema involucra tanto la ciencia básica como la tecnología de ingeniería . ^{[ 4 ]}

El problema de obtener una concentración suficiente de estados nucleares excitados resonantes (isoméricos) para que ocurra la emisión estimulada colectiva depende del ensanchamiento de la línea espectral de rayos gamma . ^{[ 5 ]} De las dos formas de ensanchamiento, el ensanchamiento homogéneo es el resultado de la vida media del estado isomérico: cuanto menor sea la vida media, más ensanchada estará la línea. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} El ensanchamiento inhomogéneo comprende todos los mecanismos por los cuales la línea ensanchada homogéneamente se extiende por el espectro. ^{[ 10 ]}

El ensanchamiento inhomogéneo más conocido es el ensanchamiento por retroceso Doppler debido al movimiento térmico de las moléculas en el sólido que contiene el isómero excitado y al retroceso de la emisión de rayos gamma, en el que el espectro de emisión se desplaza y se ensancha simultáneamente. Los isómeros en sólidos pueden emitir un componente nítido superpuesto al fondo ensanchado por Doppler; esto se denomina efecto Mössbauer . ^{[ 11 ]} Esta radiación sin retroceso presenta una línea nítida sobre el fondo ensanchado por Doppler que se desplaza solo ligeramente del centro del fondo. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

Con el fondo no homogéneo eliminado y una línea nítida, parecería que tenemos las condiciones para la ganancia . ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} Pero otras dificultades que degradarían la ganancia son los estados no excitados que absorberían resonantemente la radiación, las impurezas opacas y la pérdida en la propagación a través del cristal en el que están incrustados los núcleos activos. ^{[ 20 ]} Gran parte de esto último puede superarse mediante una alineación inteligente del cristal de la matriz ^{[ 21 ]} para aprovechar la transparencia proporcionada por el efecto Borrmann . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

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. ^{[ 25 ] [ 26 ]} El tiempo requerido para activar, separar, concentrar y cristalizar un número apreciable de núcleos excitados mediante radioquímica convencional es de al menos unos segundos. Para asegurar que la inversión persista, la vida media 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 hay vías por explorar.

El calentamiento puede reducirse mediante bombeo de neutrones y rayos gamma en dos etapas, ^{[ 27 ]} en el que la captura de neutrones ocurre en un convertidor dopado con el material padre, donde genera radiación Mössbauer que luego es absorbida por los núcleos en estado fundamental en el graser. ^{[ 28 ]} El bombeo en dos etapas de múltiples niveles ofrece múltiples ventajas. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Otro enfoque consiste en utilizar transiciones nucleares impulsadas por oscilaciones electrónicas colectivas. ^{[ 31 ] [ 32 ]} 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 láser superior de corta duración, pero separado por una transición prohibida que involucra una unidad cuántica de momento angular de espín . El graser se activaría mediante un láser óptico muy intenso para agitar la nube electrónica de un lado a otro y saturar la transición prohibida en el campo cercano de la nube. La población del estado de almacenamiento se igualaría rápidamente con el estado láser superior, cuya transición al estado láser inferior sería espontánea y estimulada por radiación gamma resonante. Es probable que una tabla "completa" de nucleidos contenga un gran número de estados isoméricos, y la existencia de dicha tríada parece probable, pero aún no se ha encontrado. ^{[ 21 ] [ 33 ]}

Las no linealidades pueden generar armónicos espaciales y temporales en el campo cercano del núcleo, ^{[ 34 ] [ 35 ]} lo que abre el abanico de posibilidades para una rápida transferencia del estado de almacenamiento al estado láser superior utilizando otros tipos de tríadas que implican energías de transición en múltiplos de la energía cuántica del láser óptico y en multipolaridades más altas.

• Emisión gamma inducida por partículas

• B, Balko; Cohen, L; Sparrow, DA (1988). Láseres de rayos gamma . doi : 10.1016/C2009-0-11129-7 . ISBN 978-0-08-037015-6.
• Balko, Bohdan; Cohen, Leslie; Sparrow, David A (1986). Investigación de la viabilidad del desarrollo de un láser mediante transiciones nucleares (Informe). DTIC ADA205318 .
• Killus, J. (2006). "El láser gamma" . Ironía involuntaria .