Kiinan Shanghaissa sijaitseva laser lasersäteilyn tehoennätyksiä, mutta se mahtuu vielä pöytätasolle.
KAN ZHAN
Kiinan Shanghaissa sijaitsevassa ahtaassa laboratoriossa fyysikko Ruxin Li ja kollegat rikkovat ennätyksiä voimakkaimmilla valopulsseilla, joita maailma on koskaan nähnyt. Heidän laserinsa, Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF) -nimisen laserlaitteiston ytimessä on yksi sylinteri titaanilla seostettua safiiria, joka on noin frisbeen levyinen. Kun valo on sytytetty kiteessä ja ohjattu linssi- ja peilijärjestelmän läpi, SULF tislaa sen mielettömän voimakkaiksi pulsseiksi. Vuonna 2016 se saavutti ennennäkemättömän 5,3 miljoonan miljardin watin eli petawatin (PW) tehon. Shanghain valot eivät kuitenkaan himmene joka kerta, kun laser laukeaa. Vaikka pulssit ovat poikkeuksellisen voimakkaita, ne ovat myös äärettömän lyhyitä, alle sekunnin biljoonasosan mittaisia. Tutkijat päivittävät nyt laseriaan ja toivovat voivansa ylittää oman ennätyksensä tämän vuoden loppuun mennessä 10-PW:n laukauksella, joka sisältäisi yli tuhat kertaa enemmän tehoa kuin kaikki maailman sähköverkot yhteensä.
Ryhmän kunnianhimoiset tavoitteet eivät lopu tähän. Tänä vuonna Li ja kollegat aikovat aloittaa 100-PW:n laserin rakentamisen, joka tunnetaan nimellä Station of Extreme Light (SEL). Vuoteen 2023 mennessä se voisi ampua pulsseja 20 metriä maan alla olevaan kammioon, jossa kohteet altistetaan äärimmäisille lämpötiloille ja paineille, joita ei tavallisesti esiinny maapallolla, mikä olisi siunaus sekä astrofyysikoille että materiaalitutkijoille. Laserilla voitaisiin myös demonstroida uutta tapaa kiihdyttää hiukkasia lääketieteessä ja suurenergiafysiikassa käytettäväksi. Houkuttelevinta olisi kuitenkin osoittaa, että valo voisi repiä tyhjästä avaruudesta elektroneja ja niiden vasta-aineita, positroneja – ilmiö tunnetaan nimellä ”tyhjiön rikkominen”, sanoo Li. Se olisi vaikuttava osoitus siitä, että aine ja energia ovat vaihdettavissa keskenään, kuten Albert Einsteinin kuuluisassa E=mc2-yhtälössä sanotaan. Vaikka ydinaseet todistavat, että aine voidaan muuntaa valtaviksi määriksi lämpöä ja valoa, päinvastainen toiminta ei ole yhtä helppoa. Mutta Li sanoo, että SEL on tehtäviensä tasalla. ”Se olisi hyvin jännittävää”, hän sanoo. ”Se tarkoittaisi, että tyhjästä voisi tuottaa jotakin.”
Kiinalainen ryhmä on ”ehdottomasti edelläkävijä” 100 PW:n suuntaan, sanoo Philip Bucksbaum, Stanfordin yliopiston atomifysiikko Palo Altossa Kaliforniassa. Mutta kilpailua riittää. Lähivuosina 10-PW:n laitteiden pitäisi käynnistyä Romaniassa ja Tšekin tasavallassa osana Euroopan Extreme Light Infrastructure -hanketta, vaikka hanke lykkäsi hiljattain tavoitettaan rakentaa 100-PW:n laajuinen laite. Fyysikot Venäjällä ovat laatineet suunnitelman 180-PW:n laserille, joka tunnetaan nimellä Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS), kun taas japanilaiset tutkijat ovat esittäneet ehdotuksia 30-PW:n laitteesta.
Vähemmän kuin yhdysvaltalaiset tiedemiehet ovat jääneet jälkeen kilpajuoksussa suurten tehojen aikaansaamiseksi, ilmenee Bucksbaumin johtaman kansallisten tiedeakatemioiden työryhmän (National Academies of Sciences, Engineering and Medicine) viime kuussa julkaisemasta tutkimuksesta. Tutkimuksessa kehotetaan energiaministeriötä suunnittelemaan ainakin yhden suuritehoisen laserlaitteiston rakentamista, mikä antaa toivoa New Yorkissa sijaitsevan Rochesterin yliopiston tutkijoille, jotka kehittävät suunnitelmia 75 megawatin laserista, Optical Parametric Amplifier Line (OPAL). Se hyödyntäisi OMEGA-EP:n sädelinjoja, joka on yksi maan tehokkaimmista lasereista. ”Raportti on rohkaiseva”, sanoo Jonathan Zuegel, joka johtaa OPAL:ia.
Vuonna 1960 keksityissä lasereissa käytetään ulkoista ”pumppua”, kuten salamalamppua, herättämään elektroneja laserimateriaalin – yleensä kaasun, kiteen tai puolijohteen – atomeissa. Kun yksi näistä kiihdytetyistä elektroneista palaa takaisin alkuperäiseen tilaansa, se emittoi fotonin, joka puolestaan stimuloi toista elektronia emittoimaan fotonin, ja niin edelleen. Toisin kuin taskulampun leviävät säteet, laserin fotonit syntyvät tiukkana virtana tietyillä aallonpituuksilla.
Koska teho on yhtä kuin energia jaettuna ajalla, sen maksimoimiseksi on periaatteessa kaksi tapaa: Joko lisätä laserin energiaa tai lyhentää sen pulssien kestoa. Kaliforniassa sijaitsevan Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) tutkijat keskittyivät 1970-luvulla ensiksi mainittuun keinoon ja lisäsivät laserin energiaa ohjaamalla säteet ylimääräisten laserkiteiden läpi, jotka oli tehty neodyymillä seostetusta lasista. Tietyn intensiteetin ylittävät säteet voivat kuitenkin vahingoittaa vahvistimia. Tämän välttämiseksi LLNL:n oli tehtävä vahvistimista yhä suurempia, halkaisijaltaan useita kymmeniä senttimetrejä. Vuonna 1983 Gerard Mourou, joka nykyisin työskentelee Pariisin lähellä sijaitsevassa École Polytechniquessa, ja hänen kollegansa tekivät kuitenkin läpimurron. Hän tajusi, että lyhyttä laserpulssia voitiin venyttää ajallisesti – jolloin sen voimakkuus väheni – diffraktioristikolla, joka jakoi pulssin sen värikomponentteihin. Kun valo oli turvallisesti vahvistettu korkeampiin energioihin, se voitiin puristaa uudelleen toisella ritilällä. Lopputulos: tehokkaampi pulssi ja ehjä vahvistin.
LaservaloPeiliPartipeiliLaserkideDiffraktioharsoNonlineaarinen kristalliPumppuSiemenVahvistettu pulssiVahvistaminenLivermoressa, Kaliforniassa sijaitsevan Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion (LLNL, Lawrence Livermore National Laboratorio, Kalifornian osavaltiossa työskentelevät tutkijat asettivat varhaisia tehoennätyksiä voimistamalla energiamäärät mammuttimaisissa laitteissa.Nyt ennätys on kuitenkin Shanghaissa, Kiinassa, sijaitsevan huoneen kokoisen laserin hallussa, joka on puristanut vaatimattomat energiat erittäin lyhyisiin pulsseihin. Kolme tärkeää tekniikkaa on nostanut laserit suuriin tehoihin.1 Ensimmäinen laserTheodore Maiman sai aikaan laservalon 2 senttimetrin pituisesta rubiinikiteestä, jota pumpattiin valokuvagrafisilla salamalampuilla.2 Janus (LLNL)Kaksisäteinen laser vahvisti 100 pikosekunnin pituisia pulsseja 100 joulea:n energiamäärään ja loi näin ensimmäisen terawattitehon.3 Nova (LLNL)Nova-laserin pulsseja lyhennettiin CPA:n avulla ensimmäisen petawatin aikaansaamiseksi.4 National Ignition Facility (LLNL)Laukaisu keskittää 192 korkean energian pulssia kohteeseen fuusion aikaansaamiseksi. Koska pulssit ovat pitkiä, niiden teho ei ylitä petawattia.5 ShanghaiSuperintense Ultra fast Laser FacilityLaboratorio saavutti ennätystehoja pöytälaatikkojärjestelmillä puristamalla laserpulsseja vain kymmeniin femtosekunneihin.Moodin lukitseminenVaikka se on hyvin puhdasta, laservalo emittoituu useilla aallonpituuksilla eli moodeilla, jotka reso-noituvat onteloissa kitarajousien tavoin. Nämä moodit voidaan saada rakentavasti interferoimaan toisiinsa kymmenien femtosekuntien pituisia voimakkaita purskeita varten.Chirped-pulssivahvistus (CPA)Voimakkaat pulssit voivat vahingoittaa vahvistimia. CPA:lla tämä vältetään venyttämällä laserpulssia diffraktioristikoiden avulla. Turvallisen vahvistuksen jälkeen pulssi puristetaan.Optinen parametrinen vahvistusKorkea-energinen pumppusäde voi vahvistaa venytettyä siemenpulssia epälineaarisessa kiteessä, joka voidaan tehdä suureksi, jotta se kestää voimakkaita syötteitä.1960198020001990197020102020ExawattiPetawattiTerawattiGigawattiMegawattiKilowattiWatti12345
Tämästä ”chirped-pulssivahvistuksesta” on tullut suuritehoisten lasereiden perusta. Vuonna 1996 LLNL:n tutkijat pystyivät sen avulla tuottamaan maailman ensimmäisen petawattisen pulssin Nova-laserilla. Sen jälkeen LLNL on pyrkinyt yhä suurempiin energioihin pyrkiessään kohti laserohjattua fuusiota. Laboratorion kansallisessa sytytyslaitteistossa (National Ignition Facility, NIF) luodaan 1,8 megajoulea energiaa sisältäviä pulsseja, joilla pyritään lämmittämään pieniä vetykapseleita fuusiolämpötiloihin. Nämä pulssit ovat kuitenkin verrattain pitkiä, ja ne tuottavat silti vain noin 1 PW:n tehon.
Korkeampiin tehoihin pääsemiseksi tutkijat ovat kääntyneet aika-alueen puoleen: pulssin energian pakkaaminen yhä lyhyempiin kestoihin. Yksi lähestymistapa on vahvistaa valoa titaanilla seostetuissa safiirikiteissä, jotka tuottavat valoa suurella taajuushajonnalla. Peilatussa laserkammiossa nämä pulssit kimpoilevat edestakaisin, ja yksittäiset taajuuskomponentit voidaan saada kumoamaan toisensa suurimman osan pulssin pituudesta ja vahvistamaan toisiaan vain muutaman kymmenen femtosekunnin pituisessa hetkellisessä pulssissa. Pumppaa näihin pulsseihin muutama sata joulea energiaa ja saat 10 PW:n huipputehon. Näin SULF ja muut safiiripohjaiset laserit voivat rikkoa tehoennätyksiä laitteilla, jotka mahtuvat suureen huoneeseen ja maksavat vain kymmeniä miljoonia dollareita, kun taas NIF maksaa 3,5 miljardia dollaria ja tarvitsee 10 kerrosta korkean rakennuksen, joka on kolmen amerikkalaisen jalkapallokentän kokoinen.
Pulssitehon kasvattaminen toisella suuruusluokalla, 10 PW:stä 100 PW:iin, vaatii vielä enemmän neroutta. Yksi lähestymistapa on lisätä pulssin energiaa sadoista jouleista tuhansiin jouleihin. Titaani-safiirilaserilla on kuitenkin vaikeuksia saavuttaa tällaisia energioita, koska vahingoittumattomaan vahvistukseen tarvittavat suuret kiteet pyrkivät laasittamaan säteeseen nähden suorassa kulmassa, mikä vie energiaa pulsseista. Niinpä SEL:n, XCELS:n ja OPAL:n tutkijat panevat toivonsa niin sanottuihin optisiin parametrisiin vahvistimiin. Ne ottavat optisen ritilän venyttämän pulssin ja lähettävät sen keinotekoiseen ”epälineaariseen” kiteeseen, jossa toisen ”pumppusäteen” energia voidaan kanavoida pulssiin. Näin syntyvän suurienergisen pulssin uudelleenpuristaminen lisää sen tehoa.
100 PW:n lähestymiseksi yksi vaihtoehto on yhdistää useita tällaisia pulsseja – neljä 30-PW:n pulssia SEL:n tapauksessa ja kymmenkunta 15-PW:n pulssia XCELS:ssä. Mutta tarkasti päällekkäiset, vain kymmenien femtosekuntien pituiset pulssit ovat ”hyvin, hyvin vaikeita”, sanoo LLNL:n laserfyysikko Constantin Haefner. Hänen mukaansa pienikin värähtely tai lämpötilan muutos voi viedä ne harhaan. OPAL sen sijaan yrittää tuottaa 75 PW:tä yhdellä säteellä.
Mourou visioi erilaista reittiä 100 PW:hen: hän lisää toisen kierroksen pulssin tiivistämistä. Hän ehdottaa, että käytetään ohuita muovikalvoja laajentamaan 10-PW:n laserpulssien spektriä ja sitten puristamaan pulssit vain pariin femtosekuntiin, jotta niiden teho nousisi noin 100 PW:hen.
Kunhan laserinrakentajat saavat tehon kasaan, edessä on toinenkin haaste: säteiden saattaminen ainutlaatuisen tiukkaan fokukseen. Monet tutkijat välittävät enemmän intensiteetistä – tehosta pinta-alayksikköä kohti – kuin petawattien kokonaismäärästä. Terävämpi fokusointi lisää intensiteettiä. Jos 100-PW:n pulssi voidaan fokusoida vain 3 mikrometrin läpimittaiseen pisteeseen, kuten Li suunnittelee SEL:ää varten, intensiteetti tuolla pienellä alueella on hämmästyttävät 1024 wattia neliösenttimetriä kohti (W/cm2) – noin 25 kertaluokkaa eli 10 triljoonaa triljoonaa kertaa voimakkaampi kuin maapallolle osuva auringonvalo.
Tällaiset intensiteetit avaavat mahdollisuuden tyhjiön rikkomiseen. Kvanttisähködynamiikan (QED) teorian mukaan, joka kuvaa, miten sähkömagneettiset kentät ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa, tyhjiö ei ole niin tyhjä kuin klassinen fysiikka antaa meidän uskoa. Kvanttimekaanisen epävarmuuden synnyttämiä elektroni- ja positronipareja, niiden antimaterian vastineita, syntyy äärimmäisen lyhyessä ajassa. Niiden keskinäisen vetovoiman vuoksi ne tuhoavat toisensa lähes heti muodostuttuaan.
Mutta hyvin voimakas laser voisi periaatteessa erottaa hiukkaset toisistaan ennen niiden törmäystä. Kuten mikä tahansa sähkömagneettinen aalto, lasersäde sisältää sähkökentän, joka piiskaa edestakaisin. Säteen voimakkuuden kasvaessa myös sen sähkökentän voimakkuus kasvaa. Noin 1024 W/cm2:n voimakkuudella kenttä olisi riittävän voimakas rikkomaan joidenkin elektroni-positroniparien keskinäisen vetovoiman, sanoo Venäjän tiedeakatemian (RAS) Nižni Novgorodissa sijaitsevan soveltavan fysiikan instituutin (IAP) entinen johtaja ja nykyinen RAS:n presidentti Alexander Sergeev. Laserkenttä ravistelisi hiukkasia ja saisi ne lähettämään sähkömagneettisia aaltoja – tässä tapauksessa gammasäteitä. Gammasäteet puolestaan synnyttäisivät uusia elektroni-positronipareja ja niin edelleen, jolloin syntyisi havaittavissa oleva hiukkas- ja säteilyvyöry. ”Tämä on täysin uutta fysiikkaa”, Sergeev sanoo. Hän lisää, että gammafotonit olisivat tarpeeksi energisiä työntämään atomiytimiä kiihottuneisiin tiloihin, mikä johtaisi uuteen fysiikan haaraan, joka tunnetaan nimellä ”ydinfotoniikka” – voimakkaan valon käyttö ydinprosessien hallintaan.
Lamppujen valaisemina valaistun Rochesterin yliopiston OMEGA-EP:n vahvistimet voisivat ohjata U.S. high-power laser.
UNIVERSITY OF ROCHESTER LABORATORY FOR LASER ENERGETICS/EUGENE KOWALUK
Yksi tapa rikkoa tyhjiö olisi yksinkertaisesti keskittää yksittäinen lasersäde tyhjään kohtaan tyhjiökammion sisällä. Mutta kahden säteen törmääminen toisiinsa tekee siitä helpompaa, koska se lisää vauhtia, jota tarvitaan elektronien ja positronien massan tuottamiseen. SEL törmäyttäisi fotoneja epäsuorasti. Ensin pulssit heittäisivät elektroneja heliumkaasukohteesta. Lasersäteen muut fotonit kimpoaisivat elektroneista ja muuttuisivat suurienergisiksi gammasäteiksi. Osa näistä puolestaan törmäisi säteestä peräisin olevien optisten fotonien kanssa.
Näiden päinvastaisten fotonitörmäysten dokumentointi olisi itsessään merkittävä tieteellinen saavutus. Siinä missä klassinen fysiikka vaatii, että kaksi valonsädettä kulkee toistensa läpi koskemattomina, eräät QED:n varhaisimmista ennusteista edellyttävät, että toisiaan lähentelevät fotonit hajoavat toisinaan toisistaan. ”Ennusteet ovat peräisin 1930-luvun alkupuolelta”, sanoo Tom Heinzl, teoreettinen fyysikko Plymouthin yliopistosta Yhdistyneessä kuningaskunnassa. ”Olisi hyvä, jos voisimme vahvistaa ne kokeellisesti.”
Lasereiden tehon lisäämisen lisäksi tutkijat haluavat myös saada ne ampumaan nopeammin. Salamalamppuja, jotka pumppaavat alkuenergian moniin lasereihin, on jäähdytettävä minuutteja tai tunteja laukausten välillä, mikä vaikeuttaa runsaasti dataa tarvitsevien tutkimusten tekemistä, kuten sen tutkimista, muuttuvatko fotonit hyvin satunnaisesti hiukkasiksi salaperäistä pimeää ainetta, jonka uskotaan muodostavan suuren osan maailmankaikkeuden massasta. ”Todennäköisesti tarvittaisiin paljon laukauksia, jotta se nähtäisiin”, sanoo Manuel Hegelich, Austinissa sijaitsevan Texasin yliopiston fyysikko.
Korkeampi toistotaajuus on myös avainasemassa, kun suuritehoista laseria käytetään hiukkassäteiden ohjaamiseen. Eräässä suunnitelmassa voimakas säde muuttaisi metallikohteen plasmaksi ja vapauttaisi elektroneja, jotka puolestaan heittäisivät protoneita metallin pinnalla olevista ytimistä. Lääkärit voisivat käyttää näitä protonipulsseja syöpien tuhoamiseen – ja korkeampi laukaisunopeus helpottaisi hoidon antamista pieninä yksittäisinä annoksina.
Fyysikot puolestaan haaveilevat hiukkaskiihdyttimistä, joiden voimanlähteenä käytettäisiin nopeita laserpulsseja. Kun voimakas laserpulssi osuu elektronien ja positiivisten ionien muodostamaan plasmaan, se työntää kevyempiä elektroneja eteenpäin, erottaa varaukset toisistaan ja luo toissijaisen sähkökentän, joka vetää ionit valon perässä kuin vesi pikaveneen vanavedessä. Tämä ”laserin vanavedessä tapahtuva kiihdytys” voi kiihdyttää varattuja hiukkasia suuriin energioihin millimetrin tai kahden sisällä, kun perinteisissä kiihdyttimissä kiihdytetään useita metrejä. Näin kiihdytettyjä elektroneja voitaisiin heilutella magneettien avulla niin sanotun vapaan elektronin laserin (FEL) luomiseksi, joka tuottaa poikkeuksellisen kirkkaita ja lyhyitä röntgensäteiden välähdyksiä, joilla voidaan valaista lyhytikäisiä kemiallisia ja biologisia ilmiöitä. Laserkäyttöinen FEL voisi olla paljon kompaktimpi ja halvempi kuin perinteisillä kiihdyttimillä toimivat kiihdyttimet.
Pitkällä tähtäimellä PW-pulsseilla kiihdytetyt elektronit voisivat alentaa hiukkasfyysikoiden unelmakoneen kustannuksia: 30 kilometrin pituisen elektroni-positronitörmäyttimen, joka olisi seuraajaksi Sveitsin Geneven lähellä sijaitsevassa eurooppalaisessa hiukkasfysiikan laboratoriossa CERN:ssä sijaitsevalle suurelle hadronitörmäyttimelle. Stuart Mangles, plasmafyysikko Imperial College Londonissa, sanoo, että 100-PW:n laseriin perustuva laite voisi olla ainakin 10 kertaa lyhyempi ja halvempi kuin nyt kaavailtu noin 10 miljardin dollarin laite.
Sekä lineaarinen törmäyslaite että nopeatehoiset FEL-laitteet tarvitsisivat tuhansia, ellei jopa miljoonia laukauksia sekunnissa, mikä ylittää selvästi nykytekniikan. Yksi mahdollisuus, jota Mourou ja kollegat tutkivat, on yrittää yhdistää tuhansien nopeasti laukeavien kuituvahvistimien teho, joita ei tarvitse pumpata salamaputkilla. Toinen vaihtoehto on korvata salamaputket diodilaserilla, jotka ovat kalliita, mutta voisivat tulla halvemmiksi massatuotannossa.
Toistaiseksi Li:n ryhmä Kiinassa ja sen yhdysvaltalaiset ja venäläiset kollegat keskittyvät kuitenkin tehoon. IAP:n laserfyysikko Efim Khazanov sanoo, että XCELS voisi olla toiminnassa noin vuoteen 2026 mennessä – edellyttäen, että hallitus hyväksyy kustannukset: noin 12 miljardia ruplaa (noin 200 miljoonaa dollaria). OPAL puolestaan olisi suhteellisen edullinen 50-100 miljoonalla dollarilla, Zuegel sanoo.
Mutta ensimmäinen laser, joka repii tyhjiön auki, on todennäköisesti SEL Kiinassa. Kansainvälinen tutkijakomitea kuvaili viime heinäkuussa laserin konseptisuunnitelmaa ”yksiselitteiseksi ja vakuuttavaksi”, ja Li toivoo saavansa hallituksen hyväksynnän rahoitukselle – noin 100 miljoonaa dollaria – alkuvuodesta. Li sanoo, että muiden maiden ei tarvitse tuntea jäävänsä varjoon, kun maailman tehokkain laser käynnistyy, koska SEL tulee toimimaan kansainvälisenä käyttäjälaitoksena. Zuegel sanoo, ettei hän ”pidä toisena olemisesta”, mutta myöntää, että kiinalaisella ryhmällä on vahva asema. ”Kiinalla on paljon rahaa”, hän sanoo. ”Ja sillä on paljon todella älykkäitä ihmisiä. Se on vielä kuromassa kiinni paljon teknologiaa, mutta se kuroo kiinni nopeasti.”