Charles Townes

Townes ingresó a la Universidad Furman en su ciudad natal a los 16 años y se interesó por la física. Recibió dos títulos de Furman -un Bachiller en Artes en lenguas modernas y un Bachillerato en Ciencias en Física. Luego fue a la Universidad Duke, donde recibió una maestría en física en 1937. Escribió su tesis de maestría sobre los generadores de van der Graaf y continuó sus estudios de francés, italiano y ruso. Completó su educación en el Instituto de Tecnología de California, donde investigó el giro del núcleo de carbono-13 y fue galardonado con un Ph.D. en física en 1939.

Townes pasó los ocho años siguientes como investigador en los Bell Telephone Laboratories; mientras vivía en la ciudad de Nueva York, también tomó clases en la Escuela de Música Julliard y disfrutó de las atracciones culturales de la ciudad. Durante la Segunda Guerra Mundial realizó un extenso trabajo sobre bombardeos con radar y diseño de sistemas, así como algunos de los primeros trabajos en radioastronomía. Después de la guerra hizo críticas contribuciones a desarrollo de espectroscopia de alta resolución de gases en la región de microondas del espectro electromagnético. Continuó este trabajo cuando se unió a la facultad de la Universidad de Columbia en 1948.

La llegada del radar en la Segunda Guerra Mundial dio lugar a un amplio uso de dispositivos electrónicos en la investigación científica. El área que más interesó a Townes fue el uso de microondas (radiación de baja frecuencia) para investigar la estructura de la materia. Para llevar a cabo con eficacia este tipo de investigación, se necesitaban osciladores que pudieran producir radiación de longitud de onda muy corta. Pero a finales de la década de 1940 había quedado claro que nunca sería posible construir un oscilador ordinario que fuera capaz de generar radiación de longitud de onda menor a un milímetro.

Townes hizo uso del fenómeno de la emisión estimulada en su primer intento de producir un oscilador que se ajustara a su propósito. Este fenómeno, conocido por los físicos desde al menos 1917 cuando Albert Einstein demostró su existencia, es aquel a través del cual los átomos bajo la influencia de un campo electromagnético aplicado, emiten fotones. 

Fue en 1951 cuando Townes tuvo la innovadora idea para su maser y delineó los planos en el reverso de un sobre mientras esperaba que un restaurante se abriera. Townes razonó que para poder amplificar la radiación de longitud de onda muy corta, se requeriría acción a escala molecular. Concibió una forma en que un conjunto de moléculas fuera capaz, a través de una emisión estimulada, de producir un oscilador auto-excitado que podría amplificar las señales. Las moléculas tenían que estar en lo que se conoce como estado excitado es decir, tenían que contener una gran cantidad de energía; también tenían que ser inestables. Las ondas electromagnéticas estimularían a las moléculas al liberar su energía extra a la misma frecuencia y fase que la energía electromagnética estimulante. Si el número correcto de moléculas estuviera presente, esta energía se convertiría en energía electromagnética muy rápidamente, y sería posible una amplificación coherente (es decir, en fase).

Townes llamó a este dispositivo un "maser" -un acrónimo de amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación- y construyó el primero en 1954 con HJ Zeiger y James P. Gordon en la Universidad de Columbia. Este maser funcionaba con gas amoníaco. Con la colaboración de AL Schawlow, Townes describió las condiciones necesarias para el funcionamiento de masers en diferentes regiones de longitud de onda, a saber, las partes infrarroja, visible y ultravioleta del espectro. Tales dispositivos eran conocidos como masers ópticos, y el primero fue construido en 1960 por Theodore H. Maiman.

El desarrollo del maser de Townes demostró ser crítico en la investigación experimental moderna. Los amplificadores Maser tienen una relación señal / ruido muy alta. Llegan muy cerca de la amplificación de un único fotón de radiación, ya que se aproximan a la máxima precisión permitida por el principio de incertidumbre en la medición de la fase y la energía de una determinada partícula. Los masers son, por lo tanto, extremadamente útiles en experimentos realizados en un nivel cuántico. Además, son útiles en el radar de larga distancia y las comunicaciones de microondas y en la recepción y detección de señales más débiles en radioastronomía.

En 1964 Townes fue galardonado con el Premio Nobel por su crucial trabajo en electrónica cuántica que lo llevó a desarrollar el maser. El premio fue compartido con dos científicos rusos, NG Basov y Aleksandr Prokhorov, que habían desarrollado de manera independiente algo similar al maser.

Mientras trabajaba en el maser en 1957, Townes y el físico Arthur L. Schawlow estaban buscando formas de producir haces de luz extremadamente concentrados. En ese momento, se pensaba que los láser tenían usos posibles puramente científicos. A Townes y Schawlow le fueron concedidas las patentes en 1960 por la tecnología del laser, pero nunca se beneficiaron personalmente. Townes era un consultor de Bell Telephone Laboratories y Schawlow empleado de la misma compañía.

De 1950 a 1952 fue director del Laboratorio de Radiación de Columbia. De 1952 a 1955 fue también presidente del departamento de física en Columbia. En 1959 se despidió para trabajar como vicepresidente y director de investigación del Instituto de Análisis de Defensa en Washington, DC, donde se ocupó principalmente de asuntos relacionados con la defensa nacional y la política exterior. En 1961 se convirtió en profesor de física en el Massachusetts Institute of Technology. Dejó el MIT en 1966 para convertirse en profesor universitario de Física en la Universidad de California en Berkeley. Se retiró de esa institución en 1986, pero continuó trabajando hasta un año antes de su muerte.

Charles Hard Townes falleció el 27 de enero de 2015, a los 99 años.