Láser de transición nuclear

Ahora existe cierta superposición entre lo que podemos hacer usando elementos ópticos y el tipo de energías de los fotones que corresponden a las excitaciones nucleares. En particular, como se menciona en, por ejemplo , este documento , el núcleo ²²⁹ Th tiene un estado excitado bajo en energía$E=7.8\pm0.5\:\mathrm{eV}$, y esto es lo suficientemente bajo como para ser accesible a algunas fuentes de láser razonablemente intensas.

Sin embargo, eso ya le dice cuál es su posición con respecto a la fabricación de un láser en esas mismas frecuencias, y lo primero con lo que debe lidiar es con la absorción. Lo que descubrimos al realizar experimentos ópticos en el rango ultravioleta extremo es que a la luz en esas frecuencias realmente no le gusta cambiar de dirección: solo quiere avanzar sin importar nada. Por lo tanto, puede hacer ópticas de incidencia rasante con una reflectancia razonablemente alta pero con ángulos de incidencia en el rango de 85°, o puede hacer espejos de incidencia normal con reflectancias en el rango del 10%, pero eso es lo mejor que puede hacer.

Ninguna de esas opciones es particularmente adecuada para construir una cavidad resonante (a pesar de las cavidades de mejora de femtosegundos ), por lo que se descarta hacer un láser multipaso, y solo empeorará a medida que aumente la energía del fotón y más y más materiales simplemente se rindan. y absorber sus fotones o dejarlos pasar sin cambios.

La pérdida de una caries es realmente una pérdida bastante grande, aunque no es fatal. De hecho, puede hacer láseres sin cavidades, como, por ejemplo, láseres de colorante sin modelo, principalmente bombeando lo suficientemente fuerte como para que los fotones emitidos espontáneamente obtengan una cantidad no trivial de ganancia al salir del material, pero esto obviamente hace que sea mucho más difícil de controlar la colimación y la coherencia de la radiación, que es presumiblemente por lo que estabas haciendo esto en primer lugar.

Además, el paso de "bombear lo suficientemente fuerte" es obviamente un desafío adicional si su medio de ganancia son núcleos excitados. Probablemente sea posible, si trabaja lo suficientemente duro, producir una inversión de población en un láser, usando, por ejemplo, un haz de electrones/neutrones/alfa exactamente con la energía correcta, pero pidiendo que este paso sea lo suficientemente fuerte como para que el medio de ganancia pueda sufrir una sola -Pasar láser es probablemente demasiado.

Sin embargo, si todo lo que desea es luz a frecuencias realmente altas que esté altamente colimada y coherente, hay muchas otras opciones que puede considerar.

• En el lado óptico, la generación de armónicos de alto orden puede producir fotones coherentes hasta el final.$1\:\mathrm{keV}$régimen combinando varios miles de diminutos fotones en uno solo enorme a través de una interacción extremadamente no lineal en un gas ( referencia ).
• En un rango similar, tiene láseres de electrones libres , que producen una luz bastante coherente al zigzaguear haces de electrones de alta energía con campos magnéticos; estos son más fáciles de conducir a energías de fotones y energías de pulso más altas, pero a veces son un poco nerviosos en la sincronización del pulso. Si se pregunta si esto es realmente un láser o no, tenemos una aplicación que hace una pregunta al respecto .
• Como otra tecnología realmente impresionante, también puede tener láseres de rayos X suaves basados ​​en plasma (también aquí ), para los cuales básicamente usa un láser enorme para ionizar algo de plasma a estados de carga realmente altos, crear una inversión de población en algunos transición electrónica en el ion (que estará en el régimen de keV o más, ya que esencialmente ha quitado una capa completa o más), y luego use eso para láser o para amplificar alguna semilla coherente que obtuvo de otro lugar (como en, por ejemplo, este heroico experimento ).

Dado que tiene todas esas opciones disponibles y funcionando, si desea desarrollar una fuente basada en una transición nuclear, realmente debe preguntarse por qué lo está haciendo realmente. En este punto, realmente, la única ventaja que podría obtener al cambiar su medio de ganancia a una transición nuclear es extender el rango de frecuencia hasta un MeV y más, pero luego también necesita proporcionar algún uso real para tal fuente. Ahí estás realmente apegado a los experimentos de física nuclear, porque para cualquier otro tipo de física, ese tipo de fotón pasará de largo o destruirá tu sistema. La física nuclear, sin embargo, parece funcionar bien sin ese tipo de fuente, y estarías compitiendo con haces de electrones / neutrones / protones / alfas / lo que sea, que ya tienen mucha tecnología disponible (e instalada) y experiencia. Por lo tanto, sería una gran inversión para ganancias muy inciertas, por lo que puede ver que el caso de esa investigación es bastante endeble en este momento.

Dicho esto, si lo que realmente quiere saber es si la emisión estimulada es algo que realmente podría observar en las transiciones nucleares, el término que debe buscar es emisión gamma inducida , que se ha considerado como una posibilidad pero que aún no se ha demostrado de manera concluyente. experimentalmente. Parece que lo más cerca que hemos llegado a esto es a través de la descomposición de un estado metaestable de hafnio ¹ : aquí, como yo lo entendería, producirías ¹⁷⁸ Hf en algún reactor nuclear, y una fracción no trivial sale en el metaestable Estado ^178m2 Hf sin necesidad de bombeo. Este estado normalmente decaerá con una vida media de 30 años, por lo que tiene algo de tiempo para, por ejemplo, intentar bombardear el estado fundamental ¹⁷⁸Hf con cosas que se transmutarán en algo que se puede separar químicamente, brindándole una muestra enriquecida en el isómero metaestable, que luego sería susceptible a la emisión inducida. Sin embargo, parece que por el momento esto sigue siendo una posibilidad no realizada.

^{$^1$felicitaciones a @rob por señalarme en esta dirección ; vea la conversación de chat subsiguiente para obtener más detalles.}

Bueno, entonces obviamente debería ser bombeado por la fuente de energía nuclear. Hubo intentos de trabajar en esta dirección, pero los resultados (si los hay) probablemente estén clasificados.

También hubo intentos de usar transiciones de isómeros : su rango de energía está entre el electrón y las transiciones nucleares "normales", pero también parecen fallar.