2 O primeiro dispositivo baseado nas leis da Mecânica Quântica capaz de emitir radiação altamente coerente foi o MASER de amônia, que rendeu o prêmio Nobel de 1964 a Townes, Basov e Prokhorov. Descreva o princípio de funcionamento do MASER de amônia.
Passo 1
O enunciado pede para explicar como funciona o MASER de amônia, um dispositivo quântico que produz radiação de micro-ondas altamente coerente usando emissão estimulada. Vamos usar conceitos de mecânica quântica (estados de energia, emissão estimulada e inversão de população) para entender seu princípio de operação.
Passo 2
As moléculas de amônia (NH₃) têm um potencial em forma de duplo poço associado ao átomo de nitrogênio se invertendo em relação ao plano dos hidrogênios. Isso gera dois estados quânticos próximos, um “superior” e outro “inferior”, separados por uma energia
onde
Passo 3
Para obter inversão de população (mais moléculas no estado excitado do que no fundamental), o feixe de amônia é enviado através de um seletor de estados: uma grade de campos elétricos não homogêneos desvia de forma diferente as moléculas nos dois estados, permitindo bloqueá-las ou separá-las. Assim, após esse filtro, só chegam ao ressonador as moléculas no estado excitado.
Passo 4
Dentro de uma cavidade ressonante ajustada à frequência
, as moléculas excitadas se deparam com fótons ressonantes já presentes. Cada fóton estimula a desexcitação de uma molécula, gerando outro fóton na mesma fase e direção (emissão estimulada), aumentando o número de fótons coerentes.
Passo 5
Esse processo de feedback na cavidade — com espelhos metálicos formando um ressonador de onda estacionária — faz com que o número de fótons cresça exponencialmente até atingir regime estacionário. Parte dessa onda coerente escapa por um espelho parcialmente transparente, gerando o feixe de micro-ondas altamente coerente do MASER.
Resposta
O MASER de amônia funciona selecionando moléculas no estado excitado, inserindo-as numa cavidade ressonante a uma frequência de cerca de 23,87 GHz, onde fótons ressonantes estimulam desexcitações em cadeia (emissão estimulada), amplificando uma onda coerente que sai como micro-ondas altamente coerentes.