Fyzikové plánují sestrojit lasery tak výkonné, že by mohly roztrhat prázdný prostor

Uvnitř stísněné laboratoře v čínské Šanghaji láme fyzik Ruxin Li a jeho kolegové rekordy s nejsilnějšími světelnými pulzy, jaké kdy svět viděl. Srdcem jejich laseru, nazvaného Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), je jediný válec ze safíru dopovaného titanem o šířce frisbee. Po zažehnutí světla v krystalu a jeho posunutí přes soustavu čoček a zrcadel ho SULF destiluje do pulzů s ohromujícím výkonem. V roce 2016 dosáhl bezprecedentního výkonu 5,3 milionu miliard wattů neboli petawattů (PW). Světla v Šanghaji však nezhasnou pokaždé, když laser vystřelí. I když jsou pulzy mimořádně silné, jsou také nekonečně krátké, trvají méně než biliontinu sekundy. Výzkumníci nyní svůj laser vylepšují a doufají, že do konce letošního roku překonají svůj vlastní rekord výstřelem o výkonu 10 PW, který by měl více než tisícinásobek výkonu všech světových elektrických sítí dohromady.

Tím ambice skupiny nekončí. Letos Li a jeho kolegové hodlají začít stavět 100-PW laser známý jako Station of Extreme Light (SEL). Do roku 2023 by mohl vrhat pulzy do komory 20 metrů pod zemí a vystavovat cíle extrémním teplotám a tlakům, které se na Zemi běžně nevyskytují, což by bylo přínosem jak pro astrofyziky, tak pro materiálové vědce. Laser by také mohl umožnit demonstrace nového způsobu urychlování částic pro použití v medicíně a vysokoenergetické fyzice. Nejlákavější by však podle Liho bylo ukázat, že světlo může z prázdného prostoru vytrhnout elektrony a jejich protějšky z antihmoty, pozitrony – jev známý jako „rozbití vakua“. Byla by to působivá ukázka toho, že hmota a energie jsou zaměnitelné, jak říká slavná rovnice E=mc2 Alberta Einsteina. Ačkoli jaderné zbraně svědčí o přeměně hmoty na obrovské množství tepla a světla, opačný postup není tak snadný. Podle Liho však SEL tento úkol zvládne. „Bylo by to velmi vzrušující,“ říká. „Znamenalo by to, že byste mohli generovat něco z ničeho.“

Čínská skupina „rozhodně vede cestu“ ke 100 PW, říká Philip Bucksbaum, atomový fyzik ze Stanfordovy univerzity v kalifornském Palo Altu. Konkurence je však velká. V příštích několika letech by se měla v Rumunsku a České republice zapnout zařízení o výkonu 10 PW v rámci evropské infrastruktury extrémního světla, ačkoli tento projekt nedávno odložil svůj cíl postavit zařízení o výkonu 100 PW. Fyzikové v Rusku vypracovali návrh 180-PW laseru známého jako Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS), zatímco japonští vědci předložili návrhy na 30-PW zařízení.

V souboji z velké části chybí američtí vědci, kteří podle studie zveřejněné minulý měsíc skupinou National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, které předsedal Bucksbaum, v závodě o vysoké výkony zaostávají. Studie vyzývá ministerstvo energetiky, aby naplánovalo alespoň jedno laserové zařízení s vysokým výkonem, a to dává naději vědcům z Rochesterské univerzity v New Yorku, kteří vyvíjejí plány na 75-PW laser, Optical Parametric Amplifier Line (OPAL). Ten by využíval svazkové linky v OMEGA-EP, jednom z nejvýkonnějších laserů v zemi. „Zpráva je povzbudivá,“ říká Jonathan Zuegel, který OPAL vede.

Lasery, které byly vynalezeny v roce 1960, používají externí „pumpu“, například zábleskovou lampu, k excitaci elektronů v atomech lasujícího materiálu – obvykle plynu, krystalu nebo polovodiče. Když se jeden z těchto excitovaných elektronů vrátí do původního stavu, vyzáří foton, který zase stimuluje další elektron k vyzáření fotonu atd. Na rozdíl od šířících se paprsků svítilny se fotony v laseru objevují v hustém proudu na určitých vlnových délkách.

Protože se výkon rovná energii dělené časem, existují v podstatě dva způsoby, jak jej maximalizovat: Buď zvýšíte energii laseru, nebo zkrátíte dobu trvání jeho pulzů. V 70. letech 20. století se výzkumníci z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) v Kalifornii zaměřili na první možnost a zvýšili energii laseru tím, že paprsky vedli přes další laserové krystaly ze skla dopovaného neodymem. Paprsky nad určitou intenzitu však mohou poškodit zesilovače. Aby se tomu LLNL vyhnula, musela zesilovače stále zvětšovat, a to až do průměru mnoha desítek centimetrů. V roce 1983 však Gerard Mourou, který nyní působí na École Polytechnique u Paříže, a jeho kolegové učinili průlom. Uvědomil si, že krátký laserový puls lze časově roztáhnout – a tím snížit jeho intenzitu – pomocí difrakční mřížky, která puls rozloží na jednotlivé barvy. Poté, co bylo světlo bezpečně zesíleno na vyšší energie, mohlo být znovu komprimováno pomocí druhé mřížky. Konečný výsledek: silnější puls a neporušený zesilovač.

Toto „chirpované pulzní zesílení“ se stalo základem výkonných laserů. V roce 1996 umožnilo výzkumníkům LLNL generovat první petawattový puls na světě pomocí laseru Nova. Od té doby se LLNL snaží dosáhnout vyšších energií ve snaze o laserem poháněnou fúzi. Laboratoř National Ignition Facility (NIF) vytváří pulzy s mamutí energií 1,8 megajoulů ve snaze zahřát malé kapsle vodíku na fúzní teplotu. Tyto pulzy jsou však poměrně dlouhé a stále generují pouze asi 1 PW výkonu.

Aby vědci dosáhli vyšších výkonů, obrátili se k časové oblasti: zabalení energie pulzu do stále kratšího trvání. Jedním z přístupů je zesilování světla v titanem dopovaných safírových krystalech, které produkují světlo s velkým rozptylem frekvencí. V zrcadlové laserové komoře se tyto pulzy odrážejí sem a tam a jednotlivé frekvenční složky se mohou vzájemně vyrušit po většinu délky pulzu, zatímco se vzájemně posílí v letmém pulzu dlouhém jen několik desítek femtosekund. Napumpujte tyto pulsy několika stovkami joulů energie a získáte špičkový výkon 10 PW. Tak mohou SULF a další lasery na bázi safíru lámat výkonové rekordy se zařízením, které se vejde do velké místnosti a stojí jen desítky milionů dolarů, zatímco NIF stojí 3,5 miliardy dolarů a potřebuje desetipatrovou budovu o rozloze tří amerických fotbalových hřišť.

Zvýšení pulzního výkonu o další řád, z 10 PW na 100 PW, bude vyžadovat další kouzla. Jedním z přístupů je zvýšení energie pulzu ze stovek na tisíce joulů. Ale titan-safírové lasery mají potíže s dosažením těchto energií, protože velké krystaly potřebné pro zesílení bez poškození mají tendenci laserovat v pravém úhlu ke svazku, čímž se energie z pulzů vytrácí. Vědci z laboratoří SEL, XCELS a OPAL proto vkládají naděje do tzv. optických parametrických zesilovačů. Ty vezmou puls natažený optickou mřížkou a pošlou ho do umělého „nelineárního“ krystalu, ve kterém může být do pulsu nasměrována energie druhého, „čerpacího“ paprsku. Překomprimováním výsledného vysokoenergetického pulzu se zvýší jeho výkon.

Pro přiblížení se 100 PW je jednou z možností kombinace několika takových pulzů – čtyř 30-PW pulzů v případě SEL a tuctu 15-PW pulzů u XCELS. Ale přesně překrývající se pulsy dlouhé jen desítky femtosekund budou „velmi, velmi obtížné“, říká laserový fyzik LLNL Constantin Haefner. Podle něj by je mohly vyvést z kurzu i ty nejmenší vibrace nebo změna teploty. OPAL se naproti tomu pokusí generovat 75 PW pomocí jediného paprsku.

Mourou předpokládá jinou cestu ke 100 PW: přidání druhého kola komprese pulzů. Navrhuje použít tenké plastové fólie k rozšíření spektra laserových pulzů o výkonu 10 PW a poté stlačit pulzy na pouhých pár femtosekund, aby se zvýšil jejich výkon na přibližně 100 PW.

Jakmile konstruktéři laseru získají výkon, čeká je další výzva: přivést paprsky k jedinému těsnému ohnisku. Mnoha vědcům záleží více na intenzitě – výkonu na jednotku plochy – než na celkovém počtu petawattů. Dosáhnete-li ostřejšího zaměření, intenzita se zvýší. Pokud se podaří zaostřit 100PW puls do bodu o průměru pouhé 3 mikrometry, jak Li plánuje pro SEL, bude intenzita na této malé ploše ohromujících 1024 wattů na centimetr čtvereční (W/cm2) – asi o 25 řádů, tedy 10 bilionů bilionkrát, intenzivnější než sluneční světlo dopadající na Zemi.

Takové intenzity otevřou možnost prolomení vakua. Podle teorie kvantové elektrodynamiky (QED), která popisuje interakci elektromagnetických polí s hmotou, není vakuum tak prázdné, jak by se mohlo zdát podle klasické fyziky. Na extrémně krátkých časových škálách se mihnou páry elektronů a pozitronů, jejich protějšky z antihmoty, které se zrodily z kvantově mechanické neurčitosti. Kvůli vzájemné přitažlivosti se navzájem anihilují téměř ihned po svém vzniku.

Velmi intenzivní laser by však v zásadě mohl částice oddělit ještě před jejich srážkou. Stejně jako každé elektromagnetické vlnění obsahuje laserový paprsek elektrické pole, které bičuje sem a tam. S rostoucí intenzitou paprsku roste i intenzita jeho elektrického pole. Při intenzitě kolem 1024 W/cm2 bude pole dostatečně silné na to, aby začalo narušovat vzájemnou přitažlivost mezi některými páry elektronů a pozitronů, říká Alexander Sergejev, bývalý ředitel Ústavu aplikované fyziky (ÚAP) Ruské akademie věd (RAS) v Nižním Novgorodu a nyní prezident RAS. Laserové pole pak částicemi otřese a způsobí, že začnou vyzařovat elektromagnetické vlny – v tomto případě gama záření. Gama záření by zase generovalo nové páry elektron-pozitron a tak dále, což by vedlo k lavině částic a záření, které by bylo možné detekovat. „To bude zcela nová fyzika,“ říká Sergeev. Dodává, že fotony gama záření by byly dostatečně energetické na to, aby tlačily atomová jádra do excitovaných stavů, čímž by se otevřel nový obor fyziky známý jako „jaderná fotonika“ – využití intenzivního světla k řízení jaderných procesů.

Jedním ze způsobů, jak prolomit vakuum, by bylo jednoduše zaměřit jediný laserový paprsek na prázdné místo uvnitř vakuové komory. Ale srážka dvou paprsků je snazší, protože se tím zvýší hybnost potřebná k vytvoření hmoty pro elektrony a pozitrony. SEL by srážel fotony nepřímo. Nejprve by pulzy vyrazily elektrony z terče z plynného helia. Další fotony z laserového paprsku by se od elektronů odrazily a přeměnily by se na vysokoenergetické záření gama. Některé z nich by se zase srazily s optickými fotony ze svazku.

Dokumentace těchto čelních srážek fotonů by sama o sobě byla velkým vědeckým úspěchem. Zatímco klasická fyzika trvá na tom, že dva světelné paprsky projdou přímo skrz sebe bez úhony, některé z prvních předpovědí QED předpokládají, že sbíhající se fotony se občas vzájemně rozptýlí. „Předpovědi sahají až do počátku 30. let 20. století,“ říká Tom Heinzl, teoretický fyzik z Plymouthské univerzity ve Velké Británii. „Bylo by dobré, kdybychom je mohli potvrdit experimentálně.“

Kromě toho, že vědci chtějí zvýšit výkon laserů, chtějí také dosáhnout toho, aby střílely rychleji. Zábleskové lampy, které pumpují počáteční energii do mnoha laserů, se musí mezi jednotlivými výstřely několik minut nebo hodin chladit, což ztěžuje provádění výzkumu, který je závislý na velkém množství dat, například zkoumání, zda se velmi občas fotony přeměňují na částice záhadné temné hmoty, o níž se předpokládá, že tvoří většinu hmoty vesmíru. „Je pravděpodobné, že byste potřebovali hodně snímků, abyste to viděli,“ říká Manuel Hegelich, fyzik z Texaské univerzity v Austinu.

Vyšší opakovací frekvence je také klíčem k použití vysoce výkonného laseru k pohonu svazků částic. V jednom schématu by intenzivní paprsek přeměnil kovový terč na plazmu a uvolnil by elektrony, které by zase vymrštily protony z jader na povrchu kovu. Lékaři by mohli tyto protonové pulzy používat k ničení rakoviny – a vyšší rychlost střelby by usnadnila podávání léčby v malých individuálních dávkách.

Fyzikové zase sní o urychlovačích částic poháněných rychlými laserovými pulzy. Když intenzivní laserový puls zasáhne plazmu elektronů a kladných iontů, vytlačí lehčí elektrony dopředu, oddělí náboje a vytvoří sekundární elektrické pole, které táhne ionty za světlem jako vodu ve stopě rychlého člunu. Toto „laserové urychlování v důsledku pole“ může urychlit nabité částice na vysoké energie na ploše jednoho nebo dvou milimetrů ve srovnání s mnoha metry u běžných urychlovačů. Takto urychlené elektrony by se mohly pomocí magnetů rozkmitat a vytvořit takzvaný laser na volných elektronech (FEL), který generuje mimořádně jasné a krátké záblesky rentgenového záření, jež mohou osvětlit krátkodobé chemické a biologické jevy. Laserem poháněný FEL by mohl být mnohem kompaktnější a levnější než urychlovače poháněné konvenčně.

V dlouhodobém horizontu by elektrony urychlené vysoce opakovanými pulzy PW mohly snížit náklady na vysněný stroj částicových fyziků: 30 kilometrů dlouhý srážeč elektronů a pozitronů, který by byl nástupcem Velkého hadronového urychlovače v CERNu, evropské laboratoři částicové fyziky poblíž Ženevy ve Švýcarsku. Zařízení založené na 100-PW laseru by mohlo být nejméně desetkrát kratší a levnější než nyní plánovaný stroj za zhruba 10 miliard dolarů, říká Stuart Mangles, fyzik plazmatu z Imperial College London.

Jak lineární urychlovač, tak i rychlopalný FEL by potřebovaly tisíce, ne-li miliony výstřelů za sekundu, což je daleko za současnou technologií. Jednou z možností, kterou zkoumá Mourou a jeho kolegové, je pokusit se spojit výkon tisíců rychlopalných vláknových zesilovačů, které nemusí být čerpány zábleskovými trubicemi. Další možností je nahradit zábleskové trubice diodovými lasery, které jsou sice drahé, ale při masové výrobě by mohly zlevnit.

Prozatím se však Liova skupina v Číně a její američtí a ruští kolegové soustředí na výkon. Efim Chazanov, laserový fyzik z IAP, říká, že XCELS by mohl být uveden do provozu přibližně v roce 2026 – za předpokladu, že vláda bude souhlasit s náklady: zhruba 12 miliard rublů (asi 200 milionů dolarů). OPAL by mezitím byl relativně výhodnou koupí za 50 až 100 milionů dolarů, říká Zuegel.

Ale prvním laserem, který roztrhne vakuum, bude pravděpodobně SEL v Číně. Mezinárodní výbor vědců loni v červenci označil koncepční návrh laseru za „jednoznačný a přesvědčivý“ a Li doufá, že se mu podaří získat vládní souhlas s financováním – zhruba 100 milionů dolarů – ještě letos. Li říká, že ostatní země se nemusí cítit ve stínu, až se nejvýkonnější laser na světě zapne, protože SEL bude fungovat jako mezinárodní uživatelské zařízení. Zuegel říká, že „není rád, když je druhý“, ale uznává, že čínská skupina má silnou pozici. „Čína má spoustu peněz,“ říká. „A má spoustu opravdu chytrých lidí. Stále ještě dohání spoustu technologií, ale dohání je rychle.“

.