મેસર (Maser)

મેસર (Maser) : એક પ્રકારનું ઉપકરણ (device). તેમાં સુસંગત (coherent) રીતે વીજચુંબકીય તરંગોનું વિવર્ધન (amplification) અથવા ઉત્પાદન (generation) અનુનાદિત પારમાણ્વિક અથવા આણ્વિક પ્રણાલી(resonant atomic or molecular system)માં આવેલ ઉત્તેજન શક્તિ(excitation energy)ના ઉપયોગ વડે પ્રાપ્ત કરવામાં આવે છે. ‘મેસર’ શબ્દ microwave amplification by stimulated emission of radiation – એ શબ્દોના પ્રથમ અક્ષરોનો ઉપયોગ કરીને રચવામાં આવેલ છે. પ્રેરિત ઉત્સર્જન(stimulated emission)ની ઘટનામાં કોઈ ચોક્કસ આવૃત્તિના તરંગોનો ફોટૉન ઊંચા ઊર્જાના સ્તરોમાં પ્રાપ્ત થયેલા પરમાણુઓ (excited atoms) ઉપર આપાત કરતાં પરમાણુઓ તેવા જ ફોટૉનોનું ઉત્સર્જન કરવા પ્રેરાય છે અને એક સમાન આવૃત્તિના ફોટૉનોના ઉત્સર્જન સાથે તે ઊર્જાના નીચેના સ્તરમાં જાય છે. આ ઘટના આકૃતિ 1માં દર્શાવેલ છે. આ રીતે ઉત્તેજિત થયેલા પારમાણ્વિક અથવા આણ્વિક કણોના સમૂહને બાહ્ય વીજચુંબકીય તરંગના ફોટૉન વડે ઉત્સર્જન માટે પ્રેરિત કરીને તેમની પાસેની ઊર્જા તે જ આવૃત્તિના અને તે જ કલાના સુસંગત વીજચુંબકીય તરંગોના રૂપે પ્રાપ્ત કરી શકાય છે, જે એક પ્રકારનું મૂળ તરંગનું વિવર્ધન છે. મેસર ફક્ત માઇક્રોવેવ પૂરતું જ મર્યાદિત નથી, પરંતુ તે ર્દશ્ય તરંગો (ર્દશ્ય પ્રકાશ),  અધોરક્ત તેમજ પારજાંબલી તરંગો માટે પણ શક્ય છે. ર્દશ્ય પ્રકાશ માટે તે લેઝર (LASER) તરીકે પ્રચલિત છે. આ પ્રકારના વિવર્ધકો તથા દોલકો આણ્વિક અથવા ક્વૉન્ટમ યંત્રશાસ્ત્રીય (quantum mechanical) દોલકો તરીકે જાણીતા છે. કારણ કે આ સંરચનાઓમાં પારમાણ્વિક કે આણ્વિક કક્ષાઓએ પ્રક્રિયાઓ થાય છે અને તે પ્રશિષ્ટ યંત્રશાસ્ત્ર (classical mechanics) વડે સમજવી મુશ્કેલ છે, પણ તે ક્વૉન્ટમ-યંત્રશાસ્ત્ર વડે સમજી શકાય છે.

માઇક્રોવેવ વિસ્તારમાં વિકિરણના એકલ ક્વૉન્ટમ(single quantum)ને અસરકારક રીતે મેસર વિવર્ધિત કરી શકે છે, આ વિવર્ધન ખૂબ ઓછા વીજાણુ-ઘોંઘાટવાળું હોય છે. ઓછા ઘોંઘાટ તથા વધુ સંવેદિતા(sensitivity)ના કારણે મેસર વિવર્ધકોનો ઉપયોગ ખૂબ નબળા સંકેતો(weak signals)ને પ્રાપ્ત કરવા તથા પારખવા (reception and detection) માટે રેડિયો ખગોળવિજ્ઞાન, માઇક્રોવેવ રેડિયોમિતિ (radiometry), લાંબી અવધિ(range)નાં રડાર તથા લાંબાં અંતરો માટેનાં માઇક્રોવેવ સંચાર-માધ્યમોમાં થાય છે.

કોઈ પણ કણો – જેવા કે અણુઓ, પરમાણુઓ, ઇલેક્ટ્રૉનો, નાભિઓ(nuclei)નો સમૂહ (ensemble) ઉષ્માગતિશાસ્ત્રીય સમતોલન(thermodynamic equilibrium)માં જુદા જુદા અસતત (discrete) ઊર્જાના સ્તરો ધરાવે છે, જે ચોક્કસ સંજોગોમાં વીજચુંબકીય ઊર્જા ઉત્સર્જિત કરવા માટે સક્ષમ હોય છે. ઊર્જાના નીચા સ્તર 1માં રહેલા, n₁ જેટલા કણો ઊર્જાના ઊંચા સ્તર 2માં રહેલા n₂ જેટલા કણો સાથે બોલ્ટ્ઝમાન વિતરણ(Boltzmann distribution)ના સંબંધ

કે જે ધન સંખ્યા છે તેના વડે જોડાયેલ હોય છે. અહીં E₁ અને E₂ અનુક્રમે સ્તર 1 અને સ્તર 2ની ઊર્જાઓ છે, K બોલ્ટ્ઝમાન અચળાંક છે અને T નિરપેક્ષ તાપમાન છે. ઉષ્માગતિશાસ્ત્રીય સમતોલન માટે કણોનાં દોલન(oscillations)ની કલાઓ (phases) અથવા તો જુદી જુદી અવસ્થાઓ માટે ક્વૉન્ટમયંત્રશાસ્ત્રીય તરંગ વિધેય(wave function)ની સાપેક્ષ કલાઓ અસ્તવ્યસ્ત (random) હોય છે. આમાંની કોઈ પણ શરતનો ભંગ અસ્થિરતા નોતરે છે જે વીજચુંબકીય તરંગોનું ઉત્સર્જન કરી શકે છે, જેની આવૃત્તિ ν હોય છે. અહીં hν = E₂ – E₁ સંબંધ વડે તેની કિંમત પ્રાપ્ત કરી શકાય છે, જ્યાં h એ પ્લાંકનો અચળાંક છે.

વીજચુંબકીય તરંગો દ્વારા કણોને પ્રેરિત કરવામાં આવે છે, જેમાં નીચેના ઊર્જાના સ્તરમાં રહેલા કણો તરંગોની ઊર્જા શોષીને ઉપરના સ્તરમાં આવે છે અથવા તો ઉપરના ઊર્જા-સ્તરમાં રહેલા કણો વીજચુંબકીય ઊર્જા તેને પ્રેરિત કરનાર તરંગના સુસંગત રીતે ઉત્સર્જિત કરીને નીચેના ઊર્જા-સ્તરમાં જાય છે અને વીજચુંબકીય તરંગોનો કંપવિસ્તાર (amplitude) વધારે છે. આ રીતે પ્રેરિત રીતે થતું કણોનું નીચા ઊર્જા-સ્તરોમાંથી ઊંચા ઊર્જા-સ્તરોમાં પરિવર્તન અથવા ઊંચા ઊર્જા-સ્તરોમાંથી નીચા ઊર્જાના સ્તરોમાં પરિવર્તન એક સમાન રીતે સંભવિત છે. કોઈ પણ ધન (positive) તાપમાનની કિંમતે સમતોલન માટે બોલ્ટ્ઝમાન વિતરણમાં n₁ની કિંમત n₂ કરતાં મોટી હોવી જરૂરી છે અને તેથી આપાત થતા વીજચુંબકીય તરંગ માટે શોષણની ઘટના ઉત્સર્જનની ઘટના કરતાં વધારે પ્રેરિત થાય છે. જો n₂ > n₁ થાય તો પ્રણાલી ઋણ નિરપેક્ષ તાપમાન (negative absolute temperature) ધરાવે છે તેવી વિભાવના આપવામાં આવે છે, કારણ કે બોલ્ટ્ઝમાન વિતરણનું પાલન Tની ઋણ કિંમતો માટે જ શક્ય બને છે. જો પ્રણાલીની આ અવસ્થામાં અન્ય રીતે સંકેતોનો વ્યય (loss) થતો ન હોય તો પ્રેરિત તરંગ વડે મોટા પ્રમાણમાં કણો દ્વારા તે જ આવૃત્તિમાં ઉત્સર્જન થાય છે અને તેથી પ્રેરિત તરંગનું એક રીતે વિવર્ધન થાય છે.

આકૃતિ 2માં n₂ > n₁ કણો માટે કિરણાવલી (beam) પ્રકાર મેસર દર્શાવેલ છે. 1954માં સી. એચ. ટાઉન્સ, જે. પી. ગૉર્ડન તથા એચ. જે. ઝાઇગરે પ્રાયોગિક રીતે આ પ્રકારનું મેસર વિકસાવેલ, જે એમોનિયા વાયુનો ઉપયોગ કરતું હતું. એમોનિયા વાયુને નાની નલિકા(orifice)માંથી નિર્વાતપ્રણાલીમાં દાખલ કરતાં તે એમોનિયા અણુની કિરણાવલીમાં રૂપાંતરિત થાય છે. બે જુદી જુદી ઊર્જા-અવસ્થા ધરાવતા અણુઓ અસમાન વીજક્ષેત્ર દ્વારા તેના દ્વિધ્રુવ (dipole) ઉપર અસર કરીને ફોકસ કરવામાં આવે છે અથવા તો, તેને અલગ તારવવામાં આવે (sorting) છે. જે અણુઓ ઊર્જાની ઉપરની અવસ્થામાં હોય છે તે અક્ષ તરફ સ્થાનાંતર પામીને માઇક્રોવેવ અનુનાદ બખોલ(microwave resonator cavity)માં દાખલ થાય છે. ફોકસિંગ કરવા માટે ચતુર્ધ્રુવીય ઘનાકાર વીજાગ્રો(quadrupolar cylindrical electrodes)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. જો માઇક્રોવેવ બખોલની દીવાલો તથા જોડાણમાં છિદ્રો પાસે વ્યય (loss) ઓછો અનુભવે અને n₂ અણુઓ મોટી સંખ્યામાં હોય અને તેને ઉચિત માઇક્રોવેવ (24 GHz આવૃત્તિ) વડે પ્રેરિત કરવામાં આવે તો માઇક્રોવેવ-ઊર્જાનું વિવર્ધન તેમજ દોલન શક્ય બને છે. આ પ્રકારનું મેસર આવૃત્તિ અથવા સમયના પ્રમાણ (standard) તરીકે ઉપયોગી છે, કારણ કે તેમાં એમોનિયા કિરણાવલીના અનુનાદની ચોક્કસતા (sharpness) પ્રમાણમાં ઘણી વધારે હોય છે. દોલન માટેની શરત નીચેના સૂત્ર ઉપરથી પ્રાપ્ત કરી શકાય છે :

જ્યાં, h પ્લાંકનો અચળાંક છે, V એ બખોલ(cavity)નું કદ છે, Δν એ એમોનિયા અણુઓ માટે અનુનાદના મહત્તમના અડધા માટેના વિસ્તારની પટ્ટ-પહોળાઈ છે. μ અણુની દ્વિધ્રુવ ચાકમાત્રા(dipole moment)નો શ્રેણિક ઘટક (matrix element) છે અને Q ગુણવત્તા (quality) અંક છે. એમોનિયા ઉપરાંત OH, H₂O, SiO તેમજ મિથેનોલ મેસર પણ છે. 6.7 GHz તથા 12.2 GHz આવૃત્તિના મિથેનોલ મેસર તથા 86 GHz આવૃત્તિના SiO મેસર છે. હાઇડ્રોજન મેસરની 1421 MHz આવૃત્તિએ મળતી ચોક્કસતા સમયના માપનમાં અથવા પ્રમાણ માટે ઉપયોગી છે. અવકાશમાં કેટલાક કુદરતી મેસર જાણીતા છે. 1965માં મૃગશીર્ષ નક્ષત્ર(Orion)માં કુદરતી OH મેસરનું ઉત્સર્જન જોવા મળેલ. તે ઉપરાંત તે જ નક્ષત્રમાં IR c Z વિસ્તારમાં OH અને H₂O મેસર જોવા મળે છે. 1995માં જર્મનીની મૅક્સ પ્લાંક ઇન્સ્ટિટ્યૂટે નવા H₂O મેસરના અવકાશીય સ્રોતો શોધી કાઢ્યા, જે બ્લૅક હોલ(Black hole – શ્યામ છિદ્ર)ની ઉપસ્થિતિનો આડકતરો એક પ્રકારનો પુરાવો પણ આપતા હતા.

ઘન અવસ્થા મેસરમાં અનુચુંબકીય (paramagetic) પરમાણુઓ અથવા અણુઓના ઇલેક્ટ્રૉનોને ધીમે ધીમે બદલાતા ચુંબકીય ક્ષેત્ર વડે ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે. સરળ કિસ્સામાં, બે ઊર્જા-અવસ્થાઓ ધરાવતા ઘન અવસ્થા ધરાવતા પદાર્થમાં મેસરને અનુલક્ષીને દરેક અણુનો એક જ ઇલેક્ટ્રૉન અસરકર્તા બને છે. ઇલેક્ટ્રૉનોના ઘૂર્ણન(spin)ના કારણે તેમની ચુંબકીય ચાકમાત્રાઓ (magnetic moments) ચુંબકીય ક્ષેત્રને સમાંતર અથવા પ્રતિ-સમાંતર (વિરુદ્ધ) રહે છે. કોઈ ઉષ્મીય સમતુલન માટે વધારે સંખ્યામાં ચુંબકીય ચાકમાત્રાઓ ચુંબકીય ક્ષેત્રને સમાંતર હોય છે અને ઓછી ચાકમાત્રાઓ વિરુદ્ધમાં હોય છે જે અગાઉની જેમ n₁ > n₂ વડે દર્શાવી શકાય છે. યોગ્ય પ્રક્રિયા વડે આ ચુંબકીય ચાકમાત્રાઓનો ક્રમ ઉલટાવી શકાય છે અને n₁ > n₂ મેળવી શકાય છે. આ માટે તીવ્ર વીજચુંબકીય ક્ષેત્રના આવૃત્તિ સાથેના ફેરફારો અનુનાદની ઘટના વડે પ્રાપ્ત કરીને ચુંબકીય ચાકમાત્રાઓ ઉલટાવી શકે છે. સામાન્ય રીતે અનુનાદ આવૃત્તિએ ટૂંકો સંકેત (short pulse) આ માટે પૂરતો છે. ઇલેક્ટ્રૉનની ઘૂર્ણ ચાકમાત્રા (spin-moment) વીજચુંબકીય ક્ષેત્ર સાથે આણ્વિક વીજદ્વિધ્રુવ ચાકમાત્રા કરતાં વધારે નબળી રીતે જોડાયેલ છે. પ્રચલિત ત્રણ ઊર્જા-અવસ્થાઓવાળું ઘન અવસ્થા (solid state) મેસર અનુચુંબકીય પદાર્થ ધરાવે છે અને તેના ઇલેક્ટ્રૉનો ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં ચુંબકીય ચાકમાત્રાઓ ધરાવે છે. આકૃતિ 3 અનુસાર

આ ત્રણ ઊર્જા-અવસ્થાઓ વચ્ચેના તફાવત માઇક્રોવેવ આવૃત્તિઓના સંદર્ભમાં અનુક્રમે ν₁, ν₂ અને ν₃ છે. ν₃ આવૃત્તિ માટે ખૂબ જ ઓછી ઊર્જા ઉચ્ચ અવસ્થામાં લઈ જવા માટે જરૂરી બને (pumping) છે જેથી નીચી ઊર્જા-અવસ્થા કરતાં ઉચ્ચ ઊર્જા-અવસ્થામાં ચાકમાત્રાઓ (અથવા કણો) વધારે હોય છે, જેને સંખ્યા-વ્યુત્ક્રમ (population inversion) કહે છે. વિવર્ધનની ઘટના નીચી આવૃત્તિએ બને છે. સામાન્ય રીતે સ્તર 1 અને સ્તર 3માં રહેલી પ્રણાલીની સંખ્યા સરખી હોય છે અને 2માં રહેલ સંખ્યા વધારે હોય તથા ν₁ < ν₂ માટે વિવર્ધન ν₁ આવૃત્તિએ મળે છે, જો ν₁ > ν₂ હોય તો વિવર્ધન ν₂ આવૃત્તિએ જોવા મળે છે.

પ્રકાશીય તેમજ અધોરક્ત મેસર પણ જાણીતા છે. ર્દશ્ય પ્રકાશના મેસર લેઝર તરીકે પ્રચલિત છે જે અન્યત્ર વર્ણવેલ છે.

મેસરનો સિદ્ધાંત 1950ના દશકાની શરૂઆતમાં ક્વૉન્ટમ યંત્રશાસ્ત્રની મદદથી પ્રસ્થાપિત થયો હતો. 1954માં ચાર્લ્સ ટાઉન્સ અને સહયોગીઓએ સર્વપ્રથમ મેસર વિકસાવેલ. 1964માં કોલંબિયા યુનિવર્સિટીના પ્રો. ટાઉન્સ, મૉસ્કોની લેબેડેફ ઇન્સ્ટિટ્યૂટના પ્રો. નિકોલાય બેસૉફ તથા પ્રો. ઍલેક્ઝાંડર પ્રોચોરૉફને સંયુક્ત રીતે નોબેલ પારિતોષિક મેસરની તથા લેઝરની શોધ માટે એનાયત કરવામાં આવ્યું.

મિહિર જોશી

આનંદ પ્ર. પટેલ