Maser.

Sigla di Microwaves Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificazione di microonde mediante emissione stimolata di radiazione). Dispositivo generatore e amplificatore di onde elettromagnetiche di frequenza molto elevata (microonde). Il primo di questi dispositivi fu realizzato dal fisico statunitense C.H. Townes nel 1954. L'invenzione del m. segnò una svolta rivoluzionaria nel campo dell'elettronica, portando alla realizzazione del laser che, basato sugli stessi principi, opera a frequenze ancora più alte (onde luminose). Il fenomeno che sta alla base del dispositivo m. è quello dell'emissione stimolata. Se un atomo di una sostanza viene eccitato, cioè viene, ad esempio, investito da un'onda elettromagnetica dotata di sufficiente energia (una corrente di fotoni), gli elettroni degli strati più interni possono assorbire questa energia e saltare negli strati più esterni; se l'energia fornita è elevata, alcuni elettroni possono anche essere strappati dall'atomo e rimanere liberi. Quando un altro fotone colpisce nuovamente l'atomo già eccitato (cioè che ha precedentemente immagazzinato un fotone), l'atomo non assorbe anche il nuovo fotone ma è stimolato a emettere il fotone già assorbito (emissione stimolata). L'atomo ripassa allora al livello di energia iniziale, cioè inferiore, ma emette una radiazione elettromagnetica delle stesse caratteristiche dell'onda incidente. L'emissione stimolata rappresenta uno degli aspetti più significativi dell'interazione tra radiazioni elettromagnetiche e sostanze materiali. Infatti se un'onda elettromagnetica di una data frequenza investe una determinata sostanza i cui atomi siano eccitati, viene liberata energia dalla sostanza sotto forma di radiazione elettromagnetica della stessa frequenza dell'onda che, aggregandosi all'onda incidente, ne aumenta, cioè amplifica, l'iniziale livello di energia. Affinché avvenga emissione stimolata è necessario che gli atomi siano ai più alti livelli, ma in condizioni normali gli atomi sono invece ai più bassi livelli di energia, cioè gli elettroni tendono a ruotare nelle orbite più vicine al nucleo. Occorre allora alterare questo stato naturale di equilibrio mediante un'operazione (pompaggio), con cui si produce un'inversione della popolazione atomica, portando il maggior numero di atomi ai livelli energetici più elevati. Una volta effettuato il pompaggio, cioè una volta eccitato l'atomo, lo si colpisce con un'onda elettromagnetica di data frequenza, che libera i fotoni immagazzinati nell'atomo dando luogo all'effetto di amplificazione sopra accennato. Nel m. realizzato da Townes si usava come sostanza l'ammoniaca. Un dispositivo di questo genere però non è molto utile, in quanto amplifica radiazioni di frequenza fissa (propria della sostanza usata, in questo caso 2,4:10⁹ Hz). Per allargare la banda di frequenze da amplificare e per aumentare la potenza si sono realizzati m. allo stato solido e, in particolare, i m. a rubino. Questi tipi di m. sfruttano tre diversi livelli energetici e consentono di realizzare amplificatori nel campo delle microonde con bande d'amplificazione di circa 100 MHz. Il m. assume grande importanza nella tecnica delle telecomunicazioni per il fatto che esso costituisce un amplificatore praticamente privo di rumore. Per la stessa ragione questi apparecchi vengono utilizzati nelle ricerche di radioastronomia e nelle comunicazioni con satelliti artificiali, cioè quando si tratta di amplificare segnali provenienti da grandissime distanze.