I fisici stanno progettando di costruire laser così potenti che potrebbero squarciare lo spazio vuoto

In un angusto laboratorio di Shanghai, in Cina, il fisico Ruxin Li e i colleghi stanno battendo i record con i più potenti impulsi di luce che il mondo abbia mai visto. Nel cuore del loro laser, chiamato Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), c’è un singolo cilindro di zaffiro drogato al titanio della larghezza di un frisbee. Dopo aver acceso la luce nel cristallo e averla fatta passare attraverso un sistema di lenti e specchi, il SULF la distilla in impulsi di potenza sbalorditiva. Nel 2016, ha raggiunto una potenza senza precedenti di 5,3 milioni di miliardi di watt, o petawatt (PW). Le luci di Shanghai non si affievoliscono ogni volta che il laser spara, però. Anche se gli impulsi sono straordinariamente potenti, sono anche infinitamente brevi, durando meno di un trilionesimo di secondo. I ricercatori stanno ora aggiornando il loro laser e sperano di battere il loro record entro la fine di quest’anno con un colpo da 10-PW, che avrebbe più di 1000 volte la potenza di tutte le reti elettriche del mondo messe insieme.

Le ambizioni del gruppo non finiscono qui. Quest’anno, Li e colleghi intendono iniziare a costruire un laser da 100-PW noto come Stazione di Luce Estrema (SEL). Entro il 2023, potrebbe lanciare impulsi in una camera a 20 metri di profondità, sottoponendo gli obiettivi a temperature e pressioni estreme che non si trovano normalmente sulla Terra, una manna per gli astrofisici e gli scienziati dei materiali. Il laser potrebbe anche alimentare le dimostrazioni di un nuovo modo di accelerare le particelle per l’uso in medicina e nella fisica delle alte energie. Ma la cosa più allettante, dice Li, sarebbe dimostrare che la luce potrebbe strappare elettroni e la loro controparte antimateria, i positroni, dallo spazio vuoto – un fenomeno noto come “rottura del vuoto”. Sarebbe un’illustrazione impressionante che la materia e l’energia sono intercambiabili, come afferma la famosa equazione E=mc2 di Albert Einstein. Anche se le armi nucleari attestano la conversione della materia in immense quantità di calore e luce, fare il contrario non è così facile. Ma Li dice che il SEL è all’altezza del compito. “Sarebbe molto eccitante”, dice. “Significherebbe che si potrebbe generare qualcosa dal nulla”.

Il gruppo cinese è “sicuramente in testa” a 100 PW, dice Philip Bucksbaum, un fisico atomico della Stanford University di Palo Alto, California. Ma c’è molta concorrenza. Nei prossimi anni, dispositivi da 10-PW dovrebbero accendersi in Romania e nella Repubblica Ceca come parte dell’Extreme Light Infrastructure europea, anche se il progetto ha recentemente rimandato il suo obiettivo di costruire un dispositivo su scala 100-PW. I fisici in Russia hanno elaborato un progetto per un laser da 180-PW conosciuto come Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS), mentre i ricercatori giapponesi hanno avanzato proposte per un dispositivo da 30-PW.

In gran parte assenti dalla mischia sono gli scienziati statunitensi, che sono rimasti indietro nella corsa alle alte potenze, secondo uno studio pubblicato il mese scorso da un gruppo della National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine che era presieduto da Bucksbaum. Lo studio invita il Dipartimento dell’Energia a pianificare almeno un impianto laser ad alta potenza, e questo dà speranza ai ricercatori dell’Università di Rochester a New York, che stanno sviluppando piani per un laser 75-PW, l’Optical Parametric Amplifier Line (OPAL). Sfrutterebbe le linee di luce di OMEGA-EP, uno dei laser più potenti del paese. “Il rapporto è incoraggiante”, dice Jonathan Zuegel, che dirige l’OPAL.

Inventato nel 1960, i laser utilizzano una “pompa” esterna, come una lampada flash, per eccitare gli elettroni all’interno degli atomi di un materiale laserante, di solito un gas, un cristallo o un semiconduttore. Quando uno di questi elettroni eccitati torna al suo stato originale, emette un fotone, che a sua volta stimola un altro elettrone ad emettere un fotone, e così via. A differenza dei fasci di diffusione di una torcia, i fotoni in un laser emergono in un flusso strettamente imballato a specifiche lunghezze d’onda.

Perché la potenza è uguale all’energia divisa per il tempo, ci sono fondamentalmente due modi per massimizzarla: O aumentare l’energia del tuo laser, o accorciare la durata dei suoi impulsi. Negli anni ’70, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in California si sono concentrati sul primo, aumentando l’energia del laser facendo passare i fasci attraverso ulteriori cristalli laser fatti di vetro drogato con neodimio. I fasci oltre una certa intensità, tuttavia, possono danneggiare gli amplificatori. Per evitare questo, LLNL ha dovuto fare gli amplificatori sempre più grandi, molte decine di centimetri di diametro. Ma nel 1983, Gerard Mourou, ora all’École Polytechnique vicino a Parigi, e i suoi colleghi fecero una svolta. Si rese conto che un breve impulso laser poteva essere allungato nel tempo, rendendolo così meno intenso, da un reticolo di diffrazione che diffonde l’impulso nei suoi colori componenti. Dopo essere stata amplificata in modo sicuro ad energie più elevate, la luce poteva essere ricompressa con un secondo reticolo. Il risultato finale: un impulso più potente e un amplificatore intatto.

Questa “amplificazione a impulsi chirped” è diventata un punto fermo dei laser ad alta potenza. Nel 1996, ha permesso ai ricercatori del LLNL di generare il primo impulso di petawatt al mondo con il laser Nova. Da allora, LLNL si è spinto verso energie più alte nel perseguimento della fusione guidata dal laser. Il National Ignition Facility (NIF) del laboratorio crea impulsi con un mastodontico 1,8 megajoule di energia nel tentativo di riscaldare piccole capsule di idrogeno a temperature di fusione. Tuttavia, questi impulsi sono relativamente lunghi e generano solo circa 1 PW di potenza.

Per arrivare a potenze più elevate, gli scienziati si sono rivolti al dominio del tempo: impacchettare l’energia di un impulso in durate sempre più brevi. Un approccio è quello di amplificare la luce in cristalli di zaffiro drogati al titanio, che producono luce con un’ampia gamma di frequenze. In una camera laser a specchio, questi impulsi rimbalzano avanti e indietro, e le singole componenti di frequenza possono essere fatte per annullarsi a vicenda per la maggior parte della loro lunghezza d’impulso, mentre si rafforzano a vicenda in un impulso fugace lungo solo poche decine di femtosecondi. Pompate questi impulsi con qualche centinaio di joule di energia e otterrete 10 PW di potenza di picco. Questo è il modo in cui il SULF e altri laser basati sullo zaffiro possono battere i record di potenza con attrezzature che stanno in una grande stanza e costano solo decine di milioni di dollari, mentre il NIF costa 3,5 miliardi di dollari e ha bisogno di un edificio alto 10 piani che copre l’area di tre campi da calcio degli Stati Uniti.

Aumentare la potenza degli impulsi di un altro ordine di grandezza, da 10 PW a 100 PW, richiederà più magie. Un approccio è quello di aumentare l’energia dell’impulso da centinaia a migliaia di joule. Ma i laser in titanio-zaffiro lottano per raggiungere queste energie perché i grandi cristalli necessari per un’amplificazione senza danni tendono a fondere ad angolo retto rispetto al fascio – quindi a rubare energia agli impulsi. Così gli scienziati del SEL, XCELS e OPAL stanno riponendo le loro speranze su quelli che sono conosciuti come amplificatori ottici parametrici. Questi prendono un impulso allungato da un reticolo ottico e lo inviano in un cristallo artificiale “non lineare”, in cui l’energia di un secondo raggio “pompa” può essere incanalata nell’impulso. Ricomprimendo l’impulso ad alta energia risultante si aumenta la sua potenza.

Per avvicinarsi a 100 PW, un’opzione è quella di combinare diversi impulsi di questo tipo – quattro impulsi da 30-PW nel caso del SEL e una dozzina di impulsi da 15-PW allo XCELS. Ma la sovrapposizione precisa di impulsi lunghi solo decine di femtosecondi sarà “molto, molto difficile”, dice il fisico del laser LLNL Constantin Haefner. Potrebbero essere gettati fuori rotta anche dalla più piccola vibrazione o cambiamento di temperatura, sostiene. L’OPAL, al contrario, tenterà di generare 75 PW usando un singolo raggio.

Mourou prevede un percorso diverso per 100 PW: aggiungendo un secondo turno di compressione dell’impulso. Egli propone di utilizzare sottili film plastici per ampliare lo spettro degli impulsi laser 10-PW, poi spremere gli impulsi fino a un paio di femtosecondi per aumentare la loro potenza a circa 100 PW.

Una volta che i costruttori di laser avranno ottenuto la potenza, si profila un’altra sfida: portare i fasci a un fuoco singolarmente stretto. Molti scienziati si preoccupano più dell’intensità – la potenza per unità di superficie – che del numero totale di petawatt. Ottenendo una messa a fuoco più nitida, l’intensità sale. Se un impulso di 100-PW può essere focalizzato su un punto di appena 3 micrometri di diametro, come Li sta progettando per il SEL, l’intensità in quella piccola area sarà di ben 1024 watt per centimetro quadrato (W/cm2) – circa 25 ordini di grandezza, o 10 trilioni di trilioni di volte, più intensa della luce del sole che colpisce la Terra.

Queste intensità apriranno la possibilità di rompere il vuoto. Secondo la teoria dell’elettrodinamica quantistica (QED), che descrive come i campi elettromagnetici interagiscono con la materia, il vuoto non è così vuoto come la fisica classica vorrebbe farci credere. Su scale di tempo estremamente brevi, coppie di elettroni e positroni, le loro controparti di antimateria, sfarfallano nell’esistenza, nate dall’incertezza meccanica quantistica. A causa della loro attrazione reciproca, si annientano a vicenda quasi appena si formano.

Ma un laser molto intenso potrebbe, in linea di principio, separare le particelle prima che si scontrino. Come ogni onda elettromagnetica, un raggio laser contiene un campo elettrico che va avanti e indietro. Man mano che l’intensità del raggio aumenta, aumenta anche la forza del suo campo elettrico. A intensità intorno ai 1024 W/cm2, il campo sarebbe abbastanza forte da iniziare a rompere l’attrazione reciproca tra alcune delle coppie elettrone-positrone, dice Alexander Sergeev, ex direttore dell’Istituto di fisica applicata (IAP) dell’Accademia russa delle scienze (RAS) a Nizhny Novgorod e ora presidente della RAS. Il campo laser avrebbe poi scosso le particelle, facendole emettere onde elettromagnetiche – in questo caso, raggi gamma. I raggi gamma, a loro volta, genererebbero nuove coppie elettrone-positrone, e così via, dando luogo a una valanga di particelle e radiazioni che potrebbero essere rilevate. “Questa sarà una fisica completamente nuova”, dice Sergeev. Aggiunge che i fotoni dei raggi gamma sarebbero abbastanza energetici da spingere i nuclei atomici in stati eccitati, inaugurando una nuova branca della fisica conosciuta come “fotonica nucleare” – l’uso della luce intensa per controllare i processi nucleari.

Un modo per rompere il vuoto sarebbe semplicemente concentrare un singolo raggio laser su un punto vuoto all’interno di una camera a vuoto. Ma far collidere due fasci rende tutto più facile, perché questo aumenta la quantità di moto necessaria per generare la massa di elettroni e positroni. Il SEL farebbe collidere i fotoni in modo indiretto. In primo luogo, gli impulsi espellerebbero gli elettroni da un bersaglio di gas di elio. Altri fotoni dal raggio laser rimbalzerebbero sugli elettroni e verrebbero amplificati in raggi gamma ad alta energia. Alcuni di questi a loro volta si scontrerebbero con i fotoni ottici del fascio

Documentare queste collisioni di fotoni frontali sarebbe di per sé una grande conquista scientifica. Mentre la fisica classica insiste sul fatto che due fasci di luce si attraversano l’un l’altro indenni, alcune delle prime previsioni della QED stabiliscono che i fotoni convergenti occasionalmente si disperdono l’uno sull’altro. “Le previsioni risalgono ai primi anni ’30”, dice Tom Heinzl, un fisico teorico dell’Università di Plymouth nel Regno Unito. “Sarebbe bello se potessimo confermarle sperimentalmente.”

Oltre a rendere i laser più potenti, i ricercatori vogliono anche farli sparare più velocemente. Le lampade flash che pompano l’energia iniziale in molti laser devono essere raffreddate per minuti o ore tra uno sparo e l’altro, rendendo difficile portare avanti ricerche che si basano su molti dati, come indagare se, molto occasionalmente, i fotoni si trasformano in particelle della misteriosa materia oscura che si pensa costituisca gran parte della massa dell’universo. “È probabile che ci sia bisogno di molti scatti per vederlo”, dice Manuel Hegelich, un fisico dell’Università del Texas a Austin.

Un tasso di ripetizione più alto è anche la chiave per utilizzare un laser ad alta potenza per guidare fasci di particelle. In uno schema, un raggio intenso trasformerebbe un bersaglio metallico in un plasma, liberando elettroni che, a loro volta, espellerebbero protoni dai nuclei sulla superficie del metallo. I medici potrebbero usare quegli impulsi di protoni per distruggere i tumori – e una maggiore frequenza di fuoco renderebbe più facile somministrare il trattamento in piccole dosi individuali.

I fisici, da parte loro, sognano acceleratori di particelle alimentati da impulsi laser a fuoco rapido. Quando un intenso impulso laser colpisce un plasma di elettroni e ioni positivi, spinge gli elettroni più leggeri in avanti, separando le cariche e creando un campo elettrico secondario che tira gli ioni dietro la luce come l’acqua nella scia di un motoscafo. Questa “accelerazione laser wakefield” può accelerare le particelle cariche ad alte energie nello spazio di un millimetro o due, rispetto a molti metri per gli acceleratori convenzionali. Gli elettroni così accelerati potrebbero essere mossi da magneti per creare un cosiddetto laser a elettroni liberi (FEL), che genera lampi eccezionalmente luminosi e brevi di raggi X che possono illuminare fenomeni chimici e biologici di breve durata. Un FEL alimentato dal laser potrebbe essere molto più compatto ed economico di quelli alimentati dagli acceleratori convenzionali.

A lungo termine, gli elettroni accelerati da impulsi PW ad alta ripetizione potrebbero ridurre il costo della macchina dei sogni dei fisici delle particelle: un collisore elettrone-positrone lungo 30 chilometri che sarebbe un successore del Large Hadron Collider al CERN, il laboratorio europeo di fisica delle particelle vicino a Ginevra, Svizzera. Un dispositivo basato su un laser 100-PW potrebbe essere almeno 10 volte più corto e più economico della macchina da circa 10 miliardi di dollari ora prevista, dice Stuart Mangles, un fisico del plasma all’Imperial College di Londra.

Sia il collisore lineare che i FEL a fuoco rapido avrebbero bisogno di migliaia, se non milioni, di colpi al secondo, ben oltre la tecnologia attuale. Una possibilità, studiata da Mourou e colleghi, è quella di provare a combinare l’uscita di migliaia di amplificatori in fibra a fuoco rapido, che non hanno bisogno di essere pompati con tubi flash. Un’altra opzione è quella di sostituire i tubi flash con laser a diodi, che sono costosi, ma potrebbero diventare più economici con la produzione di massa.

Per il momento, tuttavia, il gruppo di Li in Cina e le sue controparti statunitensi e russe si stanno concentrando sulla potenza. Efim Khazanov, un fisico laser allo IAP, dice che l’XCELS potrebbe essere attivo e funzionante dal 2026 circa, sempre che il governo sia d’accordo sul costo: circa 12 miliardi di rubli (circa 200 milioni di dollari). L’OPAL, nel frattempo, sarebbe un affare relativo tra i 50 e i 100 milioni di dollari, dice Zuegel.

Ma il primo laser ad aprire il vuoto sarà probabilmente il SEL, in Cina. Un comitato internazionale di scienziati lo scorso luglio ha descritto il design concettuale del laser come “inequivocabile e convincente”, e Li spera di ottenere l’approvazione del governo per il finanziamento – circa 100 milioni di dollari – all’inizio di quest’anno. Li dice che gli altri paesi non devono sentirsi lasciati nell’ombra mentre il laser più potente del mondo si accende, perché il SEL opererà come una struttura internazionale per gli utenti. Zuegel dice che non gli “piace essere secondo”, ma riconosce che il gruppo cinese è in una posizione forte. “La Cina ha un sacco di dollari”, dice. “E ha un sacco di gente davvero intelligente. Sta ancora recuperando molta della tecnologia, ma sta recuperando in fretta”.