En laser i Shanghai, Kina, har sat rekorder i kraft, men passer alligevel på bordplader.
KAN ZHAN
I et trangt laboratorium i Shanghai, Kina, slår fysiker Ruxin Li og kolleger rekorder med de kraftigste lyspulser, verden nogensinde har set. Hjertet i deres laser, kaldet Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), er en enkelt cylinder af titandopet safir, der er omtrent lige så bred som en frisbee. Efter at have tændt lyset i krystallen og ledt det gennem et system af linser og spejle, destillerer SULF det til impulser med en utrolig kraft. I 2016 opnåede den en hidtil uset effekt på 5,3 millioner milliarder watt, eller petawatt (PW). Lysene i Shanghai dæmpes dog ikke, hver gang laseren affyres. Selv om impulserne er usædvanligt kraftige, er de også uendeligt korte, idet de varer mindre end en trilliontedel af et sekund. Forskerne opgraderer nu deres laser og håber at kunne slå deres egen rekord ved udgangen af dette år med et 10-PW-skud, som ville indeholde mere end 1000 gange så meget strøm som alle verdens elnet tilsammen.
Gruppens ambitioner stopper ikke her. I år har Li og kolleger til hensigt at begynde at bygge en 100-PW-laser, der er kendt som Station of Extreme Light (SEL). I 2023 kan den sende pulser ind i et kammer 20 meter under jorden og udsætte målene for ekstreme temperaturer og tryk, som normalt ikke findes på Jorden, hvilket vil være en fordel for både astrofysikere og materialeforskere. Laseren kan også bruges til demonstrationer af en ny måde at accelerere partikler på til brug inden for medicin og højenergifysik. Men det mest spændende, siger Li, ville være at vise, at lys kan rive elektroner og deres antimaterie-modstykker, positroner, ud af det tomme rum – et fænomen, der er kendt som “at bryde vakuummet”. Det ville være en slående illustration af, at stof og energi er indbyrdes udskiftelige, som Albert Einsteins berømte E=mc2-ligning siger. Selv om atomvåben vidner om, at det er muligt at omdanne stof til enorme mængder varme og lys, er det ikke så let at gøre det omvendte. Men Li siger, at SEL er klar til opgaven. “Det ville være meget spændende,” siger han. “Det ville betyde, at man kunne generere noget fra ingenting.”
Den kinesiske gruppe er “helt klart førende” i retning af 100 PW, siger Philip Bucksbaum, atomfysiker ved Stanford University i Palo Alto, Californien. Men der er masser af konkurrence. I løbet af de næste par år skal 10-PW-enheder tændes i Rumænien og Tjekkiet som en del af Europas Extreme Light Infrastructure, selv om projektet for nylig udsatte sit mål om at bygge en enhed i 100-PW-skala. Fysikere i Rusland har udarbejdet et design til en 180-PW-laser, der er kendt som Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS), mens japanske forskere har fremsat forslag til en 30-PW-enhed.
De amerikanske forskere er stort set ikke med i kampen, da de er sakket bagud i kapløbet om høj effekt, ifølge en undersøgelse, der blev offentliggjort i sidste måned af en gruppe fra National Academies of Sciences, Engineering and Medicine, som Bucksbaum var formand for. I undersøgelsen opfordres energiministeriet til at planlægge for mindst ét anlæg til højtydende lasere, og det giver håb til forskere på University of Rochester i New York, som er ved at udvikle planer for en 75-PW-laser, Optical Parametric Amplifier Line (OPAL). Den skal udnytte strålebanerne på OMEGA-EP, som er en af landets kraftigste lasere. “Rapporten er opmuntrende”, siger Jonathan Zuegel, der leder OPAL.
Lasere, der blev opfundet i 1960, bruger en ekstern “pumpe”, f.eks. en blitzlampe, til at excitere elektroner i atomerne i et lasermateriale – normalt en gas, et krystal eller en halvleder. Når en af disse exciterede elektroner falder tilbage til sin oprindelige tilstand, udsender den en foton, som igen stimulerer en anden elektron til at udstråle en foton og så videre. I modsætning til de spredte stråler i en lommelygte kommer fotonerne i en laser frem i en tætpakket strøm ved bestemte bølgelængder.
Da effekt er lig med energi divideret med tid, er der grundlæggende to måder at maksimere den på: Enten kan du øge energien i din laser eller forkorte varigheden af dens impulser. I 1970’erne fokuserede forskerne på Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Californien på førstnævnte metode og øgede laserenergien ved at lede strålerne gennem yderligere laserkrystaller af glas doteret med neodymium. Stråler over en vis intensitet kan imidlertid beskadige forstærkerne. For at undgå dette har LLNL været nødt til at gøre forstærkerne stadig større, mange ti centimeter i diameter. Men i 1983 fik Gerard Mourou, der nu arbejder på École Polytechnique i nærheden af Paris, og hans kolleger et gennembrud. Han opdagede, at en kort laserpuls kunne strækkes i tid – og dermed blive mindre intens – ved hjælp af et diffraktionsgitter, der spreder pulsen i dens farvekomponenter. Efter at være blevet sikkert forstærket til højere energier, kunne lyset komprimeres igen med et andet gitter. Slutresultatet: en kraftigere puls og en intakt forstærker.
LaserlysSpejlPartialspejlLasekrystalDiffraktionsgitterNonarcrystalPumpeSædForskere på Lawrence LivermoreNational Laboratory (LLNL) i Livermore, Californien, satte tidlige effektrekorder ved at forstærke energierne i kæmpestore maskiner.Men en laser i rumstørrelse i Shanghai, Kina, har nu rekorden, efter at den har presset beskedne energier ind i ekstremt korte udbrud. Tre vigtige teknikker har ført lasere til høje energier.1 Første laserTheodore Maiman fik laserlys fra en 2 cm lang rubinkrystal, der blev pumpet af fotografiske flashlamper.2 Janus (LLNL)Den tostrålede laser forstærkede 100-picosecond-pulser til 100 joule energi for at skabe det første terawattskud.3 Nova (LLNL)Impulserne fra Nova-laseren blev forkortet ved hjælp af CPA for at opnå den første petawatt.4 National Ignition Facility (LLNL)Shots fokuserer 192 højenergipulser på et mål for at fremkalde fusion. Fordi pulserne er lange, overstiger deres effekt ikke en petawatt.5 ShanghaiSuperintense Ultra fast Laser FacilityDer er tale om et laboratorium, der ved at presse laserpulserne til kun nogle tiendedele femtosekunder har opnået en rekordstor effekt med bordbaserede systemer.Mode lockingSelv om laserlyset er meget rent, udsendes det over en række bølgelængder, eller modes, der reso-nerer i hulrum som guitarstrenge. Disse modus kan bringes til at interferere konstruktivt i et intenst udbrud på flere ti femtosekunder.Chirped-pulse-pulsforstærkning (CPA)Intense pulser kan beskadige forstærkere. CPA undgår dette ved at strække en laserimpuls med diffraktionsgitter. Efter sikker forstærkning komprimeres pulsen.Optisk parametrisk forstærkningEn højenergipumpstråle kan forstærke en strakt seedpuls i en ikke-lineær krystal, der kan gøres stor til at modstå intense input.1960198020020001990197020102010202020ExawattPetawattTerawattGigawattMegawattKilowattWatt12345
Denne “chirped-pulseforstærkning” er blevet en fast bestanddel af højkapacitetslasere. I 1996 gjorde den det muligt for LLNL-forskere at generere verdens første petawattpuls med Nova-laseren. Siden da har LLNL presset på for at opnå højere energier i jagten på laserdreven fusion. Laboratoriets National Ignition Facility (NIF) skaber pulser med en gigantisk energi på 1,8 megajoule i et forsøg på at opvarme bittesmå brintkapsler til fusionstemperaturer. Disse pulser er imidlertid forholdsvis lange, og de genererer stadig kun ca. 1 PW strøm.
For at opnå højere strømstyrke har forskerne vendt sig mod tidsdomænet: at pakke energien i en puls ind i stadig kortere tidsrum. En metode er at forstærke lyset i titandopede safirkrystaller, som producerer lys med en stor spredning af frekvenser. I et spejlvendt laserkammer hopper disse impulser frem og tilbage, og de enkelte frekvenskomponenter kan bringes til at ophæve hinanden over det meste af deres pulslængde, mens de forstærker hinanden i en flygtig puls, der kun er få tiendedele af femtosekunder lang. Pump disse impulser med et par hundrede joule energi, og du får 10 PW spidseffekt. Det er sådan, at SULF og andre safirbaserede lasere kan slå rekorder i effekt med udstyr, der passer ind i et stort rum og kun koster et tocifret millionbeløb, mens NIF koster 3,5 milliarder dollars og kræver en 10 etager høj bygning, der dækker arealet af tre amerikanske fodboldbaner.
For at øge pulsenergien med endnu en størrelsesorden, fra 10 PW til 100 PW, vil det kræve mere trolddom. En metode er at øge pulsenergien fra hundredvis til tusindvis af joule. Men titansapphire-lasere har svært ved at opnå disse energier, fordi de store krystaller, der er nødvendige for en skadesfri forstærkning, har en tendens til at lase vinkelret på strålen, hvorved energien fra pulserne går tabt. Derfor sætter forskerne på SEL, XCELS og OPAL deres håb på det, der kaldes optiske parametriske forstærkere. Disse tager en puls, der strækkes ud af et optisk gitter, og sender den ind i en kunstig “ikke-lineær” krystal, hvor energien fra en anden “pumpe”-stråle kan ledes ind i pulsen. Ved at rekomprimere den resulterende højenergipuls kan dens effekt øges.
For at nærme sig 100 PW er en mulighed at kombinere flere sådanne pulser – fire 30-PW-pulser i SEL’s tilfælde og et dusin 15-PW-pulser i XCELS’en. Men det vil være “meget, meget vanskeligt” at få præcist overlappende pulser, der kun er få femtosekunder lange, siger Constantin Haefner, der er laserfysiker ved LLNL. De kan blive kastet ud af kurs af selv den mindste vibration eller temperaturændring, hævder han. OPAL vil derimod forsøge at generere 75 PW ved hjælp af en enkelt stråle.
Mourou forestiller sig en anden vej til 100 PW: at tilføje en anden runde af pulskomprimering. Han foreslår at bruge tynde plastfilm til at udvide spektret af 10-PW-laserimpulser og derefter presse impulserne til så lidt som et par femtosekunder for at øge deres effekt til ca. 100 PW.
Når laserbyggerne først har tilkaldt kraften, vil en anden udfordring dukke op: at bringe strålerne til et enkelt, tæt fokus. Mange forskere bekymrer sig mere om intensiteten – effekten pr. arealenhed – end om det samlede antal petawatt. Hvis man opnår et skarpere fokus, stiger intensiteten. Hvis en 100-PW-impuls kan fokuseres til et punkt på blot 3 mikrometer på tværs, som Li planlægger for SEL, vil intensiteten i dette lille område være forbløffende 1024 watt pr. kvadratcentimeter (W/cm2) – ca. 25 størrelsesordener eller 10 billioner billioner gange mere intens end det sollys, der rammer Jorden.
Disse intensiteter vil åbne mulighed for at bryde vakuumet. Ifølge teorien om kvanteelektrodynamik (QED), som beskriver, hvordan elektromagnetiske felter interagerer med stof, er vakuumet ikke så tomt, som den klassiske fysik vil have os til at tro. På ekstremt korte tidsskalaer flimrer par af elektroner og positroner, deres antimaterie-modstykker, frem i lyset af kvantemekanisk usikkerhed. På grund af deres gensidige tiltrækning tilintetgør de hinanden, næsten så snart de er dannet.
Men en meget intens laser kunne i princippet adskille partiklerne, før de kolliderer. Som enhver elektromagnetisk bølge indeholder en laserstråle et elektrisk felt, der pisker frem og tilbage. I takt med at strålens intensitet stiger, stiger også styrken af dens elektriske felt. Ved intensiteter på omkring 1024 W/cm2 vil feltet være stærkt nok til at begynde at bryde den gensidige tiltrækning mellem nogle af elektron-positronparrene, siger Alexander Sergeev, tidligere direktør for Det Russiske Videnskabsakademis (RAS) Institut for Anvendt Fysik (IAP) i Nizhny Novgorod og nu præsident for RAS. Laserfeltet vil derefter ryste partiklerne, hvilket får dem til at udsende elektromagnetiske bølger – i dette tilfælde gammastråler. Gammastrålerne ville til gengæld generere nye elektron-positronpar og så videre, hvilket ville resultere i en lavine af partikler og stråling, som kunne detekteres. “Det vil være en helt ny fysik”, siger Sergeev. Han tilføjer, at gammastrålefotonerne ville være energiske nok til at skubbe atomkerner ind i exciterede tilstande, hvilket ville indvarsle en ny gren af fysikken kendt som “nuklear fotonik” – brugen af intenst lys til at kontrollere nukleare processer.
Forstærkere til University of Rochester’s OMEGA-EP, oplyst af flashlamper, kunne drive en U.S. high-power laser.
UNIVERSITY OF ROCHESTER LABORATORY FOR LASER ENERGETICS/EUGENE KOWALUK
En måde at bryde vakuumet på ville være blot at fokusere en enkelt laserstråle på et tomt punkt inde i et vakuumkammer. Men det er nemmere at lade to stråler kollidere, fordi det øger det momentum, der er nødvendigt for at generere elektroners og positroners masse. SEL ville indirekte kollidere fotoner. Først vil impulserne kaste elektroner ud fra et mål af heliumgas. Andre fotoner fra laserstrålen vil prelle af på elektronerne og blive forstærket til højenergigammastråler. Nogle af disse vil igen kollidere med optiske fotoner fra strålen.
Dokumentering af disse frontale fotonkollisioner vil i sig selv være en stor videnskabelig bedrift. Mens den klassiske fysik insisterer på, at to lysstråler vil passere lige igennem hinanden uden at blive berørt, så er det i nogle af QED’s tidligste forudsigelser fastsat, at konvergerende fotoner lejlighedsvis spredes fra hinanden. “Forudsigelserne går helt tilbage til begyndelsen af 1930’erne”, siger Tom Heinzl, teoretisk fysiker ved Plymouth University i Det Forenede Kongerige. “Det ville være godt, hvis vi kunne bekræfte dem eksperimentelt.”
Ud over at gøre lasere kraftigere ønsker forskerne også at få dem til at skyde hurtigere. De blitzlamper, der pumper den oprindelige energi ind i mange lasere, skal afkøles i minutter eller timer mellem skuddene, hvilket gør det svært at udføre forskning, der er afhængig af mange data, som f.eks. at undersøge, om fotoner meget lejlighedsvis forvandler sig til partikler af det mystiske mørke stof, som man mener udgør en stor del af universets masse. “Der er stor sandsynlighed for, at man skal bruge mange skud for at se det,” siger Manuel Hegelich, der er fysiker ved University of Texas i Austin.
En højere gentagelsesfrekvens er også nøglen til at bruge en laser med høj effekt til at drive en partikelstråle. I en af disse metoder ville en intens stråle omdanne et metalmål til et plasma og frigøre elektroner, som igen ville kaste protoner ud fra kerner på metallets overflade. Læger kunne bruge disse protonimpulser til at ødelægge kræft – og en højere affyringshastighed ville gøre det lettere at give behandlingen i små, individuelle doser.
Fysikere drømmer på deres side om partikelacceleratorer drevet af hurtigt affyrende laserimpulser. Når en intens laserimpuls rammer et plasma af elektroner og positive ioner, skubber den de lettere elektroner fremad, hvilket adskiller ladningerne og skaber et sekundært elektrisk felt, der trækker ionerne med bag lyset som vand i kølvandet på en speedbåd. Denne “laserwakefield-acceleration” kan accelerere ladede partikler til høje energier i løbet af en millimeter eller to, sammenlignet med mange meter for konventionelle acceleratorer. De således accelererede elektroner kan vrides af magneter for at skabe en såkaldt fri-elektron-laser (FEL), som frembringer usædvanligt lyse og korte røntgenstråleblink, der kan belyse kortvarige kemiske og biologiske fænomener. En laserdrevet FEL kunne være langt mere kompakt og billigere end dem, der drives af konventionelle acceleratorer.
På lang sigt kunne elektroner, der accelereres af PW-impulser med høj gentagelsesfrekvens, reducere omkostningerne til partikelfysikernes drømmemaskine: en 30 km lang elektron-positronkollider, der skulle være en efterfølger til Large Hadron Collider ved CERN, det europæiske partikelfysiklaboratorium nær Genève i Schweiz. En anordning baseret på en 100-PW-laser kunne være mindst 10 gange kortere og billigere end den maskine til ca. 10 milliarder dollars, der nu er planlagt, siger Stuart Mangles, plasmafysiker ved Imperial College London.
Både den lineære collider og de hurtige FEL’er ville kræve tusindvis, hvis ikke millioner, af skud i sekundet, hvilket er langt mere end den nuværende teknologi. En mulighed, som Mourou og kolleger undersøger, er at forsøge at kombinere output fra tusindvis af hurtigtskydende fiberforstærkere, som ikke behøver at blive pumpet med flashrør. En anden mulighed er at erstatte flashrørene med diode-lasere, som er dyre, men som kunne blive billigere med masseproduktion.
For øjeblikket koncentrerer Li’s gruppe i Kina og dens amerikanske og russiske kolleger sig dog om effekt. Efim Khazanov, der er laserfysiker ved IAP, siger, at XCELS kan være i drift omkring 2026 – forudsat at regeringen accepterer omkostningerne: ca. 12 milliarder rubler (ca. 200 millioner dollars). OPAL vil i mellemtiden være et relativt godt tilbud på mellem 50 og 100 millioner dollars, siger Zuegel.
Men den første laser, der vil åbne vakuumet, vil sandsynligvis være SEL i Kina. En international komité af videnskabsmænd beskrev i juli sidste år laserens konceptuelle design som “entydigt og overbevisende”, og Li håber at få regeringens godkendelse til finansiering – ca. 100 millioner dollars – i begyndelsen af året. Li siger, at andre lande ikke behøver at føle sig overladt i skyggen, når verdens kraftigste laser bliver tændt, fordi SEL vil fungere som et internationalt brugeranlæg. Zuegel siger, at han ikke “kan lide at være nummer to”, men erkender, at den kinesiske gruppe er i en stærk position. “Kina har masser af penge”, siger han. “Og det har en masse virkelig kloge mennesker. Det er stadig ved at indhente en masse teknologi, men det går hurtigt.”