A kínai Sanghajban működő lézer teljesítményrekordot állított fel, mégis elfér az asztallapon.
KAN ZHAN
A kínai Sanghajban, egy szűk laboratóriumban Ruxin Li fizikus és kollégái rekordokat döntenek a világ valaha látott legerősebb fényimpulzusokkal. A Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF) nevű lézerük középpontjában egyetlen, körülbelül frizbi szélességű, titániummal adalékolt zafírból készült henger áll. Miután meggyújtotta a fényt a kristályban, és átirányította azt egy lencsékből és tükrökből álló rendszeren, a SULF elképesztő teljesítményű impulzusokká alakítja. 2016-ban soha nem látott 5,3 millió milliárd wattot, azaz petawattot (PW) ért el. A sanghaji fények azonban nem halványulnak el minden egyes lézertűz alkalmával. Bár az impulzusok rendkívüli erejűek, ugyanakkor végtelenül rövidek is, kevesebb mint egy billiomod másodpercig tartanak. A kutatók most továbbfejlesztik a lézerüket, és remélik, hogy az év végére megdöntik saját rekordjukat egy 10 PW-s lövéssel, ami több mint 1000-szer akkora teljesítményt rejtene magában, mint a világ összes elektromos hálózata együttvéve.
A csoport ambíciói itt még nem érnek véget. Li és kollégái még ebben az évben hozzá kívánnak fogni egy 100-PW-os lézer építéséhez, amelyet az Extrém Fény Állomása (SEL) néven ismerünk. Ez 2023-ra impulzusokat lövellhet egy 20 méter mélyen a föld alatt lévő kamrába, ahol a célpontokat olyan szélsőséges hőmérsékletnek és nyomásnak teszik ki, amely a Földön általában nem fordul elő, ami az asztrofizikusok és az anyagtudósok számára egyaránt áldásos lehet. A lézer a részecskék felgyorsításának új módját is demonstrálhatná, amelyet az orvostudományban és a nagyenergiájú fizikában használnának. Li szerint azonban a legcsábítóbb az lenne, ha megmutathatnák, hogy a fény képes elektronokat és antianyag megfelelőiket, a pozitronokat kiszakítani az üres térből – ezt a jelenséget “vákuumtörésnek” nevezik. Ez szemléletes illusztrációja lenne annak, hogy az anyag és az energia felcserélhető, ahogy azt Albert Einstein híres E=mc2 egyenlete kimondja. Bár az atomfegyverek tanúsítják, hogy az anyagot hatalmas mennyiségű hővé és fénnyé alakíthatjuk, a fordítottja nem olyan egyszerű. Li szerint azonban a SEL megfelel a feladatnak. “Ez nagyon izgalmas lenne” – mondja. “Ez azt jelentené, hogy a semmiből is elő lehetne állítani valamit.”
A kínai csoport “határozottan az élen jár” a 100 PW felé vezető úton, mondja Philip Bucksbaum, a kaliforniai Palo Altóban található Stanford Egyetem atomfizikusa. De rengeteg a konkurencia. A következő néhány évben Romániában és a Cseh Köztársaságban az európai extrém fényinfrastruktúra részeként 10 PW-s eszközöknek kell bekapcsolniuk, bár a projekt nemrég elhalasztotta a 100 PW-s eszköz megépítésének célját. Az oroszországi fizikusok az Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS) néven ismert 180-PW-os lézer tervét dolgozták ki, míg a japán kutatók egy 30-PW-os készülékre tettek javaslatot.
Az amerikai tudósok nagyrészt kimaradtak a küzdelemből, akik a múlt hónapban a Bucksbaum által vezetett National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine csoport által közzétett tanulmány szerint lemaradtak a nagy teljesítményért folytatott versenyben. A tanulmány felszólítja az Energiaügyi Minisztériumot, hogy tervezzen legalább egy nagy teljesítményű lézerberendezést, és ez reményt ad a New York-i Rochesteri Egyetem kutatóinak, akik egy 75 teljesítményű lézer, az Optical Parametric Amplifier Line (OPAL) terveit dolgozzák ki. Ez az OMEGA-EP, az ország egyik legnagyobb teljesítményű lézerének sugárvonalait használná ki. “A jelentés biztató” – mondja Jonathan Zuegel, az OPAL vezetője.
Az 1960-ban feltalált lézerek külső “pumpát”, például villanólámpát használnak, hogy elektronokat gerjesszenek egy lézeranyag – általában gáz, kristály vagy félvezető – atomjaiban. Amikor az egyik ilyen gerjesztett elektron visszaesik az eredeti állapotába, fotont bocsát ki, ami viszont egy másik elektront is foton kibocsátására serkent, és így tovább. A zseblámpa szétterülő sugarától eltérően a lézerben a fotonok meghatározott hullámhosszon, sűrűn csomagolt sugárban lépnek ki.
Mivel a teljesítmény egyenlő az energia osztva az idővel, alapvetően kétféleképpen lehet maximalizálni: Vagy megnöveljük a lézer energiáját, vagy lerövidítjük az impulzusok időtartamát. Az 1970-es években a kaliforniai Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium (LLNL) kutatói az előbbire összpontosítottak, és a lézerenergiát úgy fokozták, hogy a sugarakat neodímiummal adalékolt üvegből készült további lézerkristályokon vezették át. Egy bizonyos intenzitás felett azonban a sugarak károsíthatják az erősítőket. Ennek elkerülése érdekében az LLNL-nek egyre nagyobb, sok tíz centiméter átmérőjű erősítőket kellett készítenie. De 1983-ban Gerard Mourou, aki jelenleg a Párizs melletti École Polytechnique-ben dolgozik, és kollégái áttörést értek el. Rájött, hogy egy rövid lézerimpulzus időben megnyújtható – és ezáltal kevésbé intenzívvé tehető – egy olyan diffrakciós rács segítségével, amely az impulzust a komponens színeire bontja. Miután biztonságosan felerősítették nagyobb energiára, a fényt egy második ráccsal újra össze lehetett tömöríteni. A végeredmény: egy erősebb impulzus és egy ép erősítő.
LézerfényTükörPartiális tükörLézerkristályDiffrakciós rácsNonlineáris kristályPumpaSugárzásEgészített impulzusTeljesítménynövelésA kaliforniai Livermore-ban található Lawrence LivermoreNational Laboratory (LLNL) kutatói mamutgépekben energiák erősítésével korai teljesítményrekordokat állítottak fel.Most azonban egy szobaméretű lézer tartja a rekordot a kínai Sanghajban, miután szerény energiákat préseltek rendkívül rövid impulzusokba. Három fontos technika juttatta a lézereket nagy teljesítményűvé.1 Az első lézerTheodore Maiman egy 2 centiméter hosszú rubinkristályból csalt ki lézerfényt, amelyet fotografikus villanólámpákkal pumpáltak.2 Janus (LLNL)A kétsugaras lézer 100 pikoszekundumos impulzusokat erősített 100 joule energiára, így létrehozva az első terawattos lövést.3 Nova (LLNL)A Nova lézer impulzusait CPA segítségével lerövidítették az első petawattos lövés eléréséhez.4 National Ignition Facility (LLNL)A lövések 192 nagyenergiájú impulzust fókuszáltak egy célpontra a fúzió kiváltása érdekében. Mivel az impulzusok hosszúak, a teljesítményük nem haladja meg a petawattot.5 ShanghaiSuperintense Ultra fast Laser FacilityA lézerimpulzusok mindössze több tíz femtoszekundumra való sűrítésével a laboratórium asztali rendszerekkel rekord teljesítményt ért el.Mode lockingA lézerfény, bár nagyon tiszta, többféle hullámhosszon, azaz móduson keresztül bocsátódik ki, amelyek a gitárhúrokhoz hasonló üregekben rezonálnak. Ezek a módusok konstruktív interferenciába hozhatók egy intenzív, több tíz femtoszekundumos kitörés erejéig.Chirped-pulse-pamplification (CPA)Az intenzív impulzusok károsíthatják az erősítőket. A CPA ezt úgy kerüli el, hogy a lézerimpulzust diffrakciós rácsokkal nyújtja. A biztonságos erősítés után az impulzust összenyomják.Optikai parametrikus erősítésEgy nagy energiájú pumpasugár képes felerősíteni egy megnyújtott magimpulzust egy nemlineáris kristályban, amely nagyra tehető, hogy ellenálljon az intenzív bemeneteknek.1960198020001990197020102020ExawattPetawattTerawattGigawattMegawattKilowattWatt12345
Ez a “cirpelt impulzuserősítés” a nagy teljesítményű lézerek alapfelszereltségévé vált. Ez tette lehetővé 1996-ban, hogy az LLNL kutatói a Nova lézerrel létrehozzák a világ első petawattos impulzusát. Azóta az LLNL a lézerrel hajtott fúzió megvalósítására törekedve egyre magasabb energiákra törekedett. A laboratórium Nemzeti Gyújtóberendezése (National Ignition Facility, NIF) 1,8 megajoule energiájú impulzusokat hoz létre, hogy apró hidrogénkapszulákat melegítsen fúziós hőmérsékletre. Ezek az impulzusok azonban viszonylag hosszúak, és még mindig csak körülbelül 1 PW teljesítményt termelnek.
A nagyobb teljesítmény eléréséhez a tudósok az időtartomány felé fordultak: az impulzus energiáját egyre rövidebb időtartamokba csomagolják. Az egyik megközelítés az, hogy a fényt titániummal adalékolt zafírkristályokban erősítik, amelyek nagy frekvenciaszórású fényt produkálnak. Egy tükrözött lézerkamrában ezek az impulzusok ide-oda pattognak, és az egyes frekvenciakomponensek az impulzus hosszának nagy részében kioltják egymást, míg a néhány tíz femtoszekundumos impulzusban egymást erősítik. Pumpáljuk ezeket az impulzusokat néhány száz joule energiával, és máris 10 PW csúcsteljesítményt kapunk. A SULF és más zafír alapú lézerek így tudnak teljesítményrekordokat dönteni olyan berendezésekkel, amelyek elférnek egy nagy helyiségben és csak néhány tízmillió dollárba kerülnek, míg a NIF 3,5 milliárd dollárba kerül és egy 10 emelet magas épületet igényel, amely három amerikai futballpálya területét foglalja el.
Az impulzusok teljesítményének további nagyságrenddel, 10 PW-ről 100 PW-re történő növeléséhez több varázslatra lesz szükség. Az egyik megközelítés az impulzus energiájának több száz joule-ról több ezer joule-ra történő növelése. A titán-zafír lézerek azonban nehezen érik el ezeket az energiákat, mivel a sérülésmentes erősítéshez szükséges nagy kristályok hajlamosak a sugárnyalábra merőlegesen lézerezni – ezáltal energiát vonnak el az impulzusokból. Ezért a SEL, az XCELS és az OPAL tudósai az úgynevezett optikai parametrikus erősítőkben reménykednek. Ezek egy optikai rács által kinyújtott impulzust vesznek, és egy mesterséges “nemlineáris” kristályba küldik, amelyben egy második, “pumpáló” sugár energiája becsatornázható az impulzusba. Az így kapott nagy energiájú impulzus újraszűrése növeli annak teljesítményét.
A 100 PW megközelítéséhez az egyik lehetőség több ilyen impulzus kombinálása – négy 30-PW-os impulzus a SEL esetében és egy tucat 15-PW-os impulzus az XCELS-nél. De a mindössze néhány tíz femtoszekundumos impulzusok pontos átfedése “nagyon-nagyon nehéz lesz” – mondja Constantin Haefner, az LLNL lézerfizikusa. Érvelése szerint a legkisebb rezgés vagy hőmérsékletváltozás is eltérítheti őket a pályájuktól. Az OPAL ezzel szemben egyetlen sugárral próbál majd 75 PW-t létrehozni.
Mourou egy másik utat képzel el a 100 PW eléréséhez: egy második impulzustömörítési kör hozzáadásával. Vékony műanyag fóliák használatát javasolja a 10-PW-os lézerimpulzusok spektrumának kiszélesítésére, majd az impulzusok összenyomását mindössze néhány femtoszekundumra, hogy teljesítményüket 100 PW körülire növeljék.
Mihelyt a lézerépítők megidézik a teljesítményt, egy másik kihívás is felmerül: a sugarak egyetlen, szoros fókuszba állítása. Sok tudóst jobban érdekel az intenzitás – az egységnyi területre jutó teljesítmény -, mint a petawattok teljes száma. Ha élesebb fókuszt érünk el, az intenzitás is nő. Ha egy 100 kW-os impulzust egy mindössze 3 mikrométer átmérőjű pontra lehet fókuszálni, ahogy Li tervezi a SEL számára, akkor az intenzitás ezen az apró területen elképesztő 1024 watt lesz négyzetcentiméterenként (W/cm2) – mintegy 25 nagyságrenddel, azaz 10 trillió trilliószor erősebb, mint a Földet érő napfény.
Ezek az intenzitások megnyitják a vákuum áttörésének lehetőségét. A kvantum elektrodinamika (QED) elmélete szerint, amely leírja, hogyan lépnek kölcsönhatásba az elektromágneses mezők az anyaggal, a vákuum nem olyan üres, mint azt a klasszikus fizika elhiteti velünk. Rendkívül rövid időskálákon az elektronok és pozitronok párjai, az antianyag megfelelőik, kvantummechanikai bizonytalanságból születve villódzanak. Kölcsönös vonzásuk miatt szinte azonnal megsemmisítik egymást, amint kialakulnak.
De egy nagyon intenzív lézerrel elvileg szét lehetne választani a részecskéket, mielőtt összeütköznének. Mint minden elektromágneses hullám, a lézersugár is tartalmaz egy elektromos mezőt, amely ide-oda csapkod. Ahogy a sugár intenzitása nő, úgy nő az elektromos mező erőssége is. Az 1024 W/cm2 körüli intenzitásnál a mező elég erős lenne ahhoz, hogy az elektron-pozitron párok egy része közötti kölcsönös vonzást megtörje – mondja Alexander Sergeev, az Orosz Tudományos Akadémia (RAS) Nyizsnyij Novgorodi Alkalmazott Fizikai Intézetének (IAP) korábbi igazgatója, jelenleg az RAS elnöke. A lézermező ezután megrázná a részecskéket, ami elektromágneses hullámok – ebben az esetben gammasugarak – kibocsátására késztetné őket. A gammasugarak viszont újabb elektron-pozitron párokat hoznának létre, és így tovább, ami egy kimutatható részecske- és sugárzási lavinát eredményezne. “Ez teljesen új fizika lesz” – mondja Sergeev. Hozzáteszi, hogy a gammasugár-fotonok elég energikusak lennének ahhoz, hogy az atommagokat gerjesztett állapotba lökjék, bevezetve a fizika egy új ágát, amelyet “nukleáris fotonikának” neveznek – az intenzív fény felhasználását a nukleáris folyamatok irányítására.
A Rochesteri Egyetem OMEGA-EP-jének villanólámpákkal megvilágított erősítői egy U.S. nagy teljesítményű lézert.
UNIVERSITY OF ROCHESTER LABORATORY FOR LASER ENERGETICS/EUGENE KOWALUK
A vákuum megtörésének egyik módja az lenne, ha egyszerűen egyetlen lézersugarat fókuszálnánk egy üres pontra a vákuumkamrában. De két sugárnyaláb ütköztetésével könnyebb dolgunk van, mert ez megnöveli az elektronok és pozitronok tömegének előállításához szükséges lendületet. A SEL közvetett módon ütköztetné a fotonokat. Először az impulzusok elektronokat löknének ki egy héliumgáz-célpontból. A lézersugárból származó más fotonok visszapattannának az elektronokról, és nagy energiájú gammasugarakká erősödnének. Ezek közül néhány ütközne a sugár optikai fotonjaival.
Ezeknek a frontális fotonütközéseknek a dokumentálása önmagában is jelentős tudományos eredmény lenne. Míg a klasszikus fizika ragaszkodik ahhoz, hogy két fénysugár érintetlenül áthalad egymáson, a QED néhány legkorábbi előrejelzése szerint az összefutó fotonok időnként szóródnak egymásról. “A jóslatok az 1930-as évek elejére nyúlnak vissza” – mondja Tom Heinzl, az egyesült királyságbeli Plymouth Egyetem elméleti fizikusa. “Jó lenne, ha ezeket kísérletileg is meg tudnánk erősíteni.”
A lézerek erősebbé tétele mellett a kutatók azt is szeretnék elérni, hogy gyorsabban lőjenek. A villanólámpákat, amelyek sok lézerbe pumpálják a kezdeti energiát, a lövések között percekig vagy órákig hűteni kell, ami megnehezíti a rengeteg adatra támaszkodó kutatások elvégzését, például annak vizsgálatát, hogy a fotonok nagyon alkalmanként átalakulnak-e a titokzatos sötét anyag részecskéivé, amelyről úgy gondolják, hogy a világegyetem tömegének nagy részét alkotja. “Valószínűleg sok felvételre lenne szükség ahhoz, hogy ezt meglássuk” – mondja Manuel Hegelich, az austini Texasi Egyetem fizikusa.
A nagyobb ismétlési frekvencia szintén kulcsfontosságú ahhoz, hogy nagy teljesítményű lézerrel lehessen részecskesugarakat vezetni. Az egyik séma szerint egy intenzív sugár egy fém céltárgyat plazmává alakítana, elektronokat szabadítva fel, amelyek viszont protonokat löknének ki a fém felületén lévő atommagokból. Az orvosok ezeket a protonimpulzusokat a rákos megbetegedések elpusztítására használhatnák – és a nagyobb tüzelési sebesség megkönnyítené a kezelés kis, egyedi adagokban történő beadását.
A fizikusok a maguk részéről gyors lézerimpulzusokkal működő részecskegyorsítókról álmodnak. Amikor egy intenzív lézerimpulzus becsapódik az elektronokból és pozitív ionokból álló plazmába, a könnyebb elektronokat előre löki, szétválasztva a töltéseket, és egy másodlagos elektromos mezőt hoz létre, amely úgy húzza az ionokat a fény mögé, mint a víz a motorcsónak nyomában. Ez a “lézeres hullámtéri gyorsítás” képes a töltött részecskéket egy-két milliméteren belül nagy energiára gyorsítani, szemben a hagyományos gyorsítók sok méteres sebességével. Az így felgyorsított elektronokat mágnesek segítségével lehetne megingatni, hogy úgynevezett szabadelektron-lézert (FEL) hozzanak létre, amely kivételesen fényes és rövid röntgensugárzású villanásokat generál, amelyek rövid élettartamú kémiai és biológiai jelenségeket világíthatnak meg. Egy lézerrel működő FEL sokkal kompaktabb és olcsóbb lehetne, mint a hagyományos gyorsítók.
Hosszú távon a nagy ismétlésszámú PW-impulzusokkal gyorsított elektronok csökkenthetik a részecskefizikusok álomgépének költségeit: egy 30 kilométer hosszú elektron-pozitron ütköztető, amely a svájci Genf közelében lévő európai részecskefizikai laboratóriumban, a CERN-ben működő Nagy Hadronütköztető utódja lenne. Stuart Mangles, az Imperial College London plazmafizikusa szerint egy 100-PW lézeren alapuló berendezés legalább tízszer rövidebb és olcsóbb lehetne, mint a most tervezett, nagyjából 10 milliárd dolláros gép.
A lineáris ütköztetőhöz és a gyors lézerrel működő FEL-hez is több ezer, ha nem millió lövésre lenne szükség másodpercenként, ami jóval meghaladja a jelenlegi technológiát. Az egyik lehetőség, amelyet Mourou és kollégái vizsgálnak, hogy megpróbálják kombinálni több ezer gyors tüzelésű szálerősítő kimenetét, amelyeket nem kell villanócsövekkel pumpálni. Egy másik lehetőség, hogy a villanócsöveket diódalézerekkel helyettesítik, amelyek drágák, de tömeggyártással olcsóbbá válhatnak.
Egyelőre azonban Li kínai csoportja, valamint amerikai és orosz társai a teljesítményre koncentrálnak. Efim Khazanov, az IAP lézerfizikusa szerint az XCELS körülbelül 2026-ra készülhet el – feltéve, hogy a kormány beleegyezik a költségekbe: nagyjából 12 milliárd rubel (kb. 200 millió dollár). Az OPAL eközben viszonylag kedvező ár lenne, 50 és 100 millió dollár közötti összeggel, mondja Zuegel.
A vákuumot feltépő lézer azonban valószínűleg a SEL lesz az első, Kínában. Egy nemzetközi tudósbizottság tavaly júliusban “egyértelműnek és meggyőzőnek” minősítette a lézer koncepcióját, és Li reméli, hogy még az idén megkapja a kormány jóváhagyását a finanszírozáshoz – körülbelül 100 millió dollárt -. Li szerint más országoknak nem kell úgy érezniük, hogy a világ legerősebb lézerének bekapcsolásakor árnyékban maradnak, mivel a SEL nemzetközi felhasználói létesítményként fog működni. Zuegel azt mondja, hogy “nem szeret másodiknak lenni”, de elismeri, hogy a kínai csoport erős helyzetben van. “Kínának rengeteg pénze van” – mondja. “És rengeteg igazán okos embere van. Sok technológiában még mindig felzárkózik, de gyorsan felzárkózik.”