Physiker planen den Bau von Lasern, die so stark sind, dass sie den leeren Raum zerreißen könnten

In einem beengten Labor in Shanghai, China, brechen der Physiker Ruxin Li und seine Kollegen Rekorde mit den stärksten Lichtimpulsen, die die Welt je gesehen hat. Das Herzstück ihres Lasers, der Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), ist ein einzelner Zylinder aus titandotiertem Saphir, der etwa so breit ist wie ein Frisbee. Nachdem das Licht in dem Kristall entzündet und durch ein System von Linsen und Spiegeln geleitet wurde, destilliert der SULF es in Pulse von atemberaubender Leistung. Im Jahr 2016 erreichte er eine noch nie dagewesene Leistung von 5,3 Millionen Milliarden Watt oder Petawatt (PW). Die Lichter in Shanghai gehen jedoch nicht jedes Mal aus, wenn der Laser feuert. Die Pulse sind zwar außerordentlich leistungsstark, aber auch winzig kurz: Sie dauern weniger als eine Billionstel Sekunde. Die Forscher rüsten nun ihren Laser auf und hoffen, ihren eigenen Rekord bis Ende dieses Jahres mit einem 10-PW-Schuss zu übertreffen, der mehr als die 1000-fache Leistung aller Stromnetze der Welt zusammen hätte.

Die Ambitionen der Gruppe sind damit noch nicht beendet. Noch in diesem Jahr wollen Li und seine Kollegen mit dem Bau eines 100-PW-Lasers beginnen, der als „Station of Extreme Light“ (SEL) bezeichnet wird. Bis 2023 könnte er Pulse in eine 20 Meter unter der Erde liegende Kammer schleudern und Ziele extremen Temperaturen und Drücken aussetzen, die auf der Erde normalerweise nicht vorkommen – ein Segen für Astrophysiker und Materialwissenschaftler gleichermaßen. Der Laser könnte auch die Demonstration einer neuen Methode zur Beschleunigung von Teilchen für die Medizin und die Hochenergiephysik ermöglichen. Am verlockendsten wäre es jedoch, so Li, zu zeigen, dass Licht Elektronen und ihre Antimaterie-Gegenstücke, die Positronen, aus dem leeren Raum herausreißen kann – ein Phänomen, das als „Aufbrechen des Vakuums“ bekannt ist. Es wäre eine eindrucksvolle Illustration dafür, dass Materie und Energie austauschbar sind, wie Albert Einsteins berühmte Gleichung E=mc2 besagt. Obwohl Kernwaffen die Umwandlung von Materie in immense Mengen an Wärme und Licht belegen, ist der umgekehrte Weg nicht so einfach. Li meint jedoch, dass das SEL dieser Aufgabe gewachsen ist. „Das wäre sehr aufregend“, sagt er. „Es würde bedeuten, dass man etwas aus dem Nichts erzeugen könnte.“

Die chinesische Gruppe ist „definitiv führend“ auf dem Weg zu 100 PW, sagt Philip Bucksbaum, ein Atomphysiker an der Stanford University in Palo Alto, Kalifornien. Aber es gibt viel Konkurrenz. In den nächsten Jahren sollen in Rumänien und der Tschechischen Republik im Rahmen der europäischen Extreme Light Infrastructure 10-PW-Geräte in Betrieb genommen werden, obwohl das Projekt sein Ziel, ein Gerät im 100-PW-Maßstab zu bauen, kürzlich verschoben hat. Physiker in Russland haben einen Entwurf für einen 180-PW-Laser ausgearbeitet, der als Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS) bekannt ist, während japanische Forscher Vorschläge für ein 30-PW-Gerät vorgelegt haben.

Die US-Wissenschaftler, die im Wettlauf um hohe Leistungen ins Hintertreffen geraten sind, fehlen weitgehend, so eine im letzten Monat veröffentlichte Studie einer Gruppe der National Academies of Sciences, Engineering and Medicine unter dem Vorsitz von Bucksbaum. In der Studie wird das Energieministerium aufgefordert, mindestens eine Hochleistungslaseranlage zu planen, was den Forschern an der Universität von Rochester in New York Hoffnung macht, die Pläne für einen 75-PW-Laser, die Optical Parametric Amplifier Line (OPAL), entwickeln. Dieser würde die Vorteile der Strahlführungen von OMEGA-EP, einem der leistungsstärksten Laser des Landes, nutzen. „Der Bericht ist ermutigend“, sagt Jonathan Zuegel, der die OPAL leitet.

Die 1960 erfundenen Laser verwenden eine externe „Pumpe“, z. B. eine Blitzlampe, um Elektronen in den Atomen eines Lasermaterials – in der Regel ein Gas, ein Kristall oder ein Halbleiter – anzuregen. Wenn eines dieser angeregten Elektronen in seinen ursprünglichen Zustand zurückfällt, sendet es ein Photon aus, das wiederum ein anderes Elektron anregt, ein Photon auszusenden, und so weiter. Im Gegensatz zu den sich ausbreitenden Strahlen einer Taschenlampe treten die Photonen in einem Laser in einem dicht gepackten Strom bei bestimmten Wellenlängen aus.

Da Leistung gleich Energie geteilt durch Zeit ist, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, sie zu maximieren: Entweder man erhöht die Energie des Lasers, oder man verkürzt die Dauer seiner Pulse. In den 1970er Jahren konzentrierten sich die Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien auf die erste Möglichkeit und erhöhten die Laserenergie, indem sie die Strahlen durch zusätzliche Laserkristalle aus mit Neodym dotiertem Glas leiteten. Strahlen, die eine bestimmte Intensität überschreiten, können jedoch die Verstärker beschädigen. Um dies zu vermeiden, musste das LLNL die Verstärker immer größer machen, viele zehn Zentimeter im Durchmesser. Doch 1983 gelang Gerard Mourou, jetzt an der École Polytechnique bei Paris, und seinen Kollegen ein Durchbruch. Er erkannte, dass ein kurzer Laserpuls durch ein Beugungsgitter, das den Puls in seine einzelnen Farben aufspreizt, zeitlich gestreckt werden kann, wodurch er weniger intensiv wird. Nachdem das Licht sicher auf höhere Energien verstärkt worden war, konnte es mit einem zweiten Gitter wieder komprimiert werden. Das Endergebnis: ein stärkerer Impuls und ein intakter Verstärker.

Diese „gechirpte Impulsverstärkung“ ist zu einem Grundnahrungsmittel von Hochleistungslasern geworden. Im Jahr 1996 konnten LLNL-Forscher mit dem Nova-Laser den ersten Petawatt-Puls der Welt erzeugen. Seitdem ist das LLNL auf der Suche nach der lasergesteuerten Kernfusion immer weiter zu höheren Energien vorgestoßen. Die National Ignition Facility (NIF) des Labors erzeugt Pulse mit einer gewaltigen Energie von 1,8 Megajoule, um winzige Wasserstoffkapseln auf Fusionstemperatur zu erhitzen. Diese Pulse sind jedoch vergleichsweise lang und erzeugen immer noch nur etwa 1 PW Leistung.

Um höhere Leistungen zu erreichen, haben sich die Wissenschaftler dem Zeitbereich zugewandt: Sie packen die Energie eines Pulses in immer kürzere Zeiträume. Ein Ansatz besteht darin, das Licht in titandotierten Saphirkristallen zu verstärken, die Licht mit einer großen Frequenzspreizung erzeugen. In einer gespiegelten Laserkammer prallen diese Pulse hin und her, und die einzelnen Frequenzkomponenten können dazu gebracht werden, sich über den größten Teil ihrer Pulslänge gegenseitig auszulöschen, während sie sich in einem flüchtigen Puls von nur einigen zehn Femtosekunden Länge gegenseitig verstärken. Wenn man diese Impulse mit ein paar hundert Joule Energie pumpt, erhält man eine Spitzenleistung von 10 PW. Auf diese Weise können der SULF und andere Laser auf Saphirbasis Leistungsrekorde mit einer Ausrüstung brechen, die in einen großen Raum passt und nur einige zehn Millionen Dollar kostet, während NIF 3,5 Milliarden Dollar kostet und ein 10 Stockwerke hohes Gebäude benötigt, das die Fläche von drei US-Fußballfeldern abdeckt.

Um die Pulsleistung um eine weitere Größenordnung zu steigern, von 10 PW auf 100 PW, ist mehr Zauberei erforderlich. Ein Ansatz besteht darin, die Energie des Pulses von Hunderten auf Tausende von Joule zu erhöhen. Mit Titan-Saphir-Lasern lassen sich solche Energien jedoch nur schwer erreichen, da die großen Kristalle, die für eine schadensfreie Verstärkung benötigt werden, dazu neigen, im rechten Winkel zum Strahl zu lasern, wodurch den Pulsen Energie entzogen wird. Daher setzen die Wissenschaftler am SEL, XCELS und OPAL ihre Hoffnungen auf so genannte optisch parametrische Verstärker. Dabei wird ein durch ein optisches Gitter gestreckter Puls in einen künstlichen „nichtlinearen“ Kristall geschickt, in dem die Energie eines zweiten „Pump“-Strahls in den Puls kanalisiert werden kann. Die Rekomprimierung des resultierenden Hochenergiepulses erhöht seine Leistung.

Um auf 100 PW zu kommen, besteht eine Möglichkeit darin, mehrere solcher Pulse zu kombinieren – vier 30-PW-Pulse im Falle des SEL und ein Dutzend 15-PW-Pulse bei den XCELS. Aber genau überlappende Pulse, die nur einige zehn Femtosekunden lang sind, werden „sehr, sehr schwierig“ sein, sagt der LLNL-Laserphysiker Constantin Haefner. Schon kleinste Vibrationen oder Temperaturschwankungen könnten sie aus der Bahn werfen, argumentiert er. OPAL wird dagegen versuchen, 75 PW mit einem einzigen Strahl zu erzeugen.

Mourou sieht einen anderen Weg zu 100 PW vor: eine zweite Runde der Pulskompression. Er schlägt vor, dünne Kunststofffolien zu verwenden, um das Spektrum der 10-PW-Laserpulse zu verbreitern, und die Pulse dann auf wenige Femtosekunden zu komprimieren, um ihre Leistung auf etwa 100 PW zu erhöhen.

Wenn die Laserbauer die Leistung aufbringen, steht eine weitere Herausforderung bevor: die Strahlen auf einen einzigen, engen Fokus zu bringen. Viele Wissenschaftler legen mehr Wert auf die Intensität – die Leistung pro Flächeneinheit – als auf die Gesamtzahl der Petawatt. Wird ein schärferer Fokus erreicht, steigt die Intensität. Wenn ein 100-PW-Puls auf einen Punkt von nur 3 Mikrometern Durchmesser fokussiert werden kann, wie Li es für das SEL plant, beträgt die Intensität in diesem winzigen Bereich erstaunliche 1024 Watt pro Quadratzentimeter (W/cm2) – etwa 25 Größenordnungen oder 10 Billionen Billionen Mal intensiver als das Sonnenlicht, das auf die Erde trifft.

Diese Intensitäten eröffnen die Möglichkeit, das Vakuum zu durchbrechen. Nach der Theorie der Quantenelektrodynamik (QED), die beschreibt, wie elektromagnetische Felder mit der Materie interagieren, ist das Vakuum nicht so leer, wie die klassische Physik uns glauben machen will. In extrem kurzen Zeiträumen flackern Elektronen- und Positronenpaare, die Gegenstücke zur Antimaterie, durch quantenmechanische Unschärfe ins Leben. Aufgrund ihrer gegenseitigen Anziehung vernichten sie sich fast sofort nach ihrer Entstehung.

Aber ein sehr intensiver Laser könnte die Teilchen im Prinzip trennen, bevor sie zusammenstoßen. Wie jede elektromagnetische Welle enthält auch ein Laserstrahl ein elektrisches Feld, das hin und her peitscht. Mit steigender Intensität des Strahls nimmt auch die Stärke des elektrischen Feldes zu. Bei einer Intensität von etwa 1024 W/cm2 wäre das Feld stark genug, um die gegenseitige Anziehung zwischen einigen Elektron-Positron-Paaren zu brechen, sagt Alexander Sergeev, ehemaliger Direktor des Instituts für Angewandte Physik (IAP) der Russischen Akademie der Wissenschaften (RAS) in Nischni Nowgorod und jetzt Präsident der RAS. Das Laserfeld würde dann die Teilchen erschüttern, wodurch sie elektromagnetische Wellen – in diesem Fall Gammastrahlen – aussenden würden. Die Gammastrahlen würden wiederum neue Elektron-Positron-Paare erzeugen und so weiter, was zu einer Lawine von Teilchen und Strahlung führen würde, die nachgewiesen werden könnte. „Das wird eine völlig neue Physik sein“, sagt Sergejew. Er fügt hinzu, dass die Gammastrahlen-Photonen energiereich genug wären, um Atomkerne in angeregte Zustände zu versetzen und damit einen neuen Zweig der Physik einzuläuten, der als „Kernphotonik“ bekannt ist – die Verwendung von intensivem Licht zur Steuerung von Kernprozessen.

Eine Möglichkeit, das Vakuum zu durchbrechen, bestünde darin, einen einzelnen Laserstrahl auf eine leere Stelle in einer Vakuumkammer zu fokussieren. Die Kollision von zwei Strahlen macht es jedoch einfacher, weil dadurch der Impuls erhöht wird, der zur Erzeugung der Masse für Elektronen und Positronen erforderlich ist. Das SEL würde Photonen indirekt zur Kollision bringen. Zunächst würden die Pulse Elektronen aus einem Heliumgas-Target herausschlagen. Andere Photonen aus dem Laserstrahl würden von den Elektronen abprallen und in hochenergetische Gammastrahlen umgewandelt werden. Einige dieser Photonen würden wiederum mit optischen Photonen aus dem Strahl zusammenstoßen.

Die Dokumentation dieser direkten Photonenkollisionen wäre an sich schon eine große wissenschaftliche Leistung. Während die klassische Physik darauf besteht, dass zwei Lichtstrahlen unberührt aneinander vorbeigehen, sehen einige der frühesten Vorhersagen der QED vor, dass konvergierende Photonen gelegentlich aneinander streuen. „Die Vorhersagen reichen bis in die frühen 1930er Jahre zurück“, sagt Tom Heinzl, ein theoretischer Physiker an der Universität Plymouth im Vereinigten Königreich. „Es wäre gut, wenn wir sie experimentell bestätigen könnten.“

Die Forscher wollen die Laser nicht nur leistungsfähiger machen, sondern sie auch schneller schießen lassen. Die Blitzlampen, die die Anfangsenergie in viele Laser pumpen, müssen zwischen den einzelnen Schüssen minuten- oder stundenlang gekühlt werden, was die Durchführung von Forschungsarbeiten erschwert, die auf eine Vielzahl von Daten angewiesen sind, wie z. B. die Untersuchung der Frage, ob sich Photonen gelegentlich in Teilchen der geheimnisvollen dunklen Materie verwandeln, von der man annimmt, dass sie einen Großteil der Masse des Universums ausmacht. „Wahrscheinlich bräuchte man viele Aufnahmen, um das zu sehen“, sagt Manuel Hegelich, Physiker an der University of Texas in Austin.

Eine höhere Wiederholrate ist auch der Schlüssel zur Verwendung eines Hochleistungslasers, um Teilchenstrahlen anzutreiben. Bei einem Konzept würde ein intensiver Strahl ein Metallziel in ein Plasma verwandeln und Elektronen freisetzen, die wiederum Protonen aus den Kernen auf der Metalloberfläche ausstoßen würden. Mit diesen Protonenimpulsen könnten Ärzte Krebserkrankungen zerstören – und eine höhere Abschussrate würde es einfacher machen, die Behandlung in kleinen, individuellen Dosen zu verabreichen.

Physiker träumen ihrerseits von Teilchenbeschleunigern, die mit schnellen Laserimpulsen betrieben werden. Wenn ein intensiver Laserpuls auf ein Plasma aus Elektronen und positiven Ionen trifft, schiebt er die leichteren Elektronen vorwärts, trennt die Ladungen und erzeugt ein sekundäres elektrisches Feld, das die Ionen hinter dem Licht herzieht wie Wasser im Kielwasser eines Schnellboots. Diese „Laser-Wakefield-Beschleunigung“ kann geladene Teilchen innerhalb von ein oder zwei Millimetern auf hohe Energien beschleunigen, im Vergleich zu vielen Metern bei herkömmlichen Beschleunigern. Die so beschleunigten Elektronen könnten durch Magnete in einen so genannten Freie-Elektronen-Laser (FEL) gelenkt werden, der außergewöhnlich helle und kurze Röntgenblitze erzeugt, die kurzlebige chemische und biologische Phänomene beleuchten können. Ein laserbetriebener FEL könnte weitaus kompakter und billiger sein als herkömmliche Beschleuniger.

Langfristig könnten Elektronen, die durch PW-Pulse mit hoher Wiederholungsrate beschleunigt werden, die Kosten für die Traummaschine der Teilchenphysiker senken: einen 30 Kilometer langen Elektron-Positron-Collider, der ein Nachfolger des Large Hadron Collider am CERN, dem europäischen Labor für Teilchenphysik in der Nähe von Genf, Schweiz, wäre. Ein Gerät, das auf einem 100-PW-Laser basiert, könnte mindestens zehnmal kürzer und billiger sein als die derzeit geplante, etwa 10 Milliarden Dollar teure Anlage, sagt Stuart Mangles, ein Plasmaphysiker am Imperial College London.

Sowohl der Linearcollider als auch die Schnellfeuer-FELs würden Tausende, wenn nicht Millionen von Schüssen pro Sekunde benötigen, was weit über die derzeitige Technologie hinausgeht. Eine Möglichkeit, die von Mourou und Kollegen untersucht wird, besteht darin, die Leistung von Tausenden von Schnellfeuer-Faserverstärkern zu kombinieren, die nicht mit Blitzröhren gepumpt werden müssen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Blitzröhren durch Diodenlaser zu ersetzen, die zwar teuer sind, aber durch Massenproduktion billiger werden könnten.

Im Moment konzentrieren sich die Gruppe von Li in China und ihre Kollegen in den USA und Russland jedoch auf die Leistung. Laut Efim Khazanov, einem Laserphysiker am IAP, könnte der XCELS bis etwa 2026 einsatzbereit sein – vorausgesetzt, die Regierung stimmt den Kosten zu: etwa 12 Milliarden Rubel (etwa 200 Millionen Dollar). Der OPAL hingegen wäre mit 50 bis 100 Millionen Dollar relativ günstig, sagt Zuegel.

Der erste Laser, der das Vakuum aufbricht, wird aber wahrscheinlich der SEL in China sein. Ein internationales Komitee von Wissenschaftlern bezeichnete das Konzept des Lasers im vergangenen Juli als „eindeutig und überzeugend“, und Li hofft, dass die Regierung die Finanzierung – etwa 100 Millionen Dollar – noch in diesem Jahr genehmigt. Li sagt, dass andere Länder nicht das Gefühl haben müssen, im Schatten zu stehen, wenn der leistungsstärkste Laser der Welt in Betrieb genommen wird, denn das SEL wird als internationale Nutzereinrichtung betrieben. Zuegel sagt, er sei „nicht gerne der Zweite“, räumt aber ein, dass die chinesische Gruppe in einer starken Position sei. „China hat eine Menge Geld“, sagt er. „Und es hat eine Menge wirklich kluger Leute. Es holt immer noch einen großen Teil der Technologie auf, aber es holt schnell auf.“