Physicists are planning to build lasers so powerful they could rip apart empty space

中国、上海の狭い研究所内で、物理学者Ruxin Li氏と同僚は、世界がこれまで見た中で最も強力な光のパルスで記録を更新しています。 上海超高速レーザー施設（SULF）と呼ばれるこのレーザーの中心には、フリスビーほどの幅のチタンドープサファイアの円柱が1本入っています。 この結晶の中で光を発生させ、レンズとミラーを通過させた後、SULFはその光を驚異的なパワーを持つパルスに変換する。 2016年には、前人未到の530億ワット（ペタワット）を達成しました。 しかし、レーザーが発射されるたびに上海の照明が暗くなるわけではありません。 非常に強力なパルスでありながら、その時間は1兆分の1秒にも満たない、限りなく短いものなのだ。 研究者たちは現在レーザーを改良中で、今年中に10PWを発射して自分たちの記録を破りたいと考えている。これは、世界中のすべての電力網を合わせたパワーの1000倍以上に相当する。 今年、李教授らは「極限光ステーション（SEL）」と呼ばれる100PWレーザーの建設を開始する予定である。 2023年までには、地下20mのチャンバーにパルスを発射し、ターゲットを地上では通常見られない極端な温度と圧力にさらすことができるだろう。 また、このレーザーは、医療や高エネルギー物理学で使用する新しい粒子加速方法のデモンストレーションにも威力を発揮するでしょう。 しかし、最も魅力的なのは、光が何もない空間から電子とその反物質である陽電子を引き離すことができることを示すことだろう、と李は言う。 これは、アインシュタインの有名な方程式E=mc2が示すように、物質とエネルギーが交換可能であることを示す顕著な例となるだろう。 核兵器は、物質を大量の熱と光に変換することを証明しているが、その逆はそう簡単にはできない。 しかし、李は、SELはその任務を遂行することができると言う。 「それはとてもエキサイティングなことです」と彼は言う。 「カリフォルニア州パロアルトにあるスタンフォード大学の原子物理学者、フィリップ・バックスバウムは、中国のグループは100PWへの「道を確実にリードしている」と述べています。 しかし、競争相手はたくさんいる。 今後数年のうちに、ヨーロッパのExtreme Light Infrastructureの一環として、ルーマニアとチェコ共和国で10PWのデバイスのスイッチが入るはずだ。しかし、このプロジェクトは最近100PW規模のデバイスを作るという目標を延期している。 ロシアの物理学者は、Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS) として知られる 180-PW のレーザーの設計図を作成し、日本の研究者は 30-PW 装置の提案を行った。

Bucksbaum が議長を務める全米科学・工学・医学アカデミーのグループが先月発表した研究によると、高出力への競争から大きく遅れている米国の科学者がこの戦いに大きく参加していない。 この研究は、エネルギー省に少なくとも1つの高出力レーザー施設を計画するよう求めており、ニューヨークのロチェスター大学の研究者たちに希望を与えている。彼らは、75PWレーザー、光パラメトリック増幅器ライン（OPAL）の計画を進めている。 このレーザーは、米国で最も強力なレーザーの1つであるOMEGA-EPのビームラインを利用する予定です。 「1960年に発明されたレーザーは、フラッシュランプのような外部の「ポンプ」を使用して、レーザー材料（通常はガス、結晶、または半導体）の原子の中の電子を励起します。 励起された電子が元の状態に戻ると光子が発生し、その光子が別の電子を刺激して光子を発生させる、というように繰り返す。

パワーはエネルギーを時間で割ったものに等しいので、それを最大化する方法は基本的に2つあります。 レーザーのエネルギーを上げるか、パルスの時間を短くするかのどちらかです。 1970年代、カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所 (LLNL) の研究者は前者に着目し、ネオジムを添加したガラスでできた追加のレーザー結晶にビームを通すことでレーザーエネルギーを増加させました。 しかし、一定以上の強度のビームは、増幅器を損傷する可能性がある。 これを避けるため、LLNLでは増幅器を直径数十センチと大型化せざるを得なかった。 しかし、1983年、現在パリにある国立理工科大学のGerard Mourou氏らは、あるブレイクスルーを起こした。 短いレーザーパルスを回折格子によって時間的に引き伸ばすと、パルスを構成する色に分解することができ、強度を弱めることができることに気づいたのだ。 そして、安全に高エネルギーに増幅した後、2つ目の回折格子で光を再圧縮することができる。

この「チャープパルス増幅」は、高出力レーザーの定番となった。 1996年、LLNLの研究者がNovaレーザーで世界初のペタワットパルスを発生させることを可能にしました。 それ以来、LLNLはレーザー駆動核融合の追求のため、より高いエネルギーへの挑戦を続けている。 LLNLの国立点火施設（NIF）では、1.8メガジュールという巨大なエネルギーを持つパルスを発生させ、小さな水素カプセルを核融合温度まで加熱することを目指しています。 しかし、これらのパルスは比較的長く、まだ約1PWの電力しか発生しません。

より高い出力を得るために、科学者たちは時間領域に目を向けました。 その1つが、チタンをドープしたサファイアの結晶で光を増幅する方法だ。 鏡面レーザーのチャンバー内で、これらのパルスを跳ね返すと、個々の周波数成分はパルス長の大部分で互いに相殺され、わずか数十フェムト秒の一瞬のパルスで互いに強化されるようにすることができる。 そのパルスを数百ジュールのエネルギーで励起すると、10PWのピークパワーが得られる。 NIFは35億ドルで、10階建て、サッカー場3面分の広さの建物が必要です。

パルス出力を10PWから100PWへとさらに1桁上げるには、さらなる工夫が必要です。 1つのアプローチは、パルスのエネルギーを数百ジュールから数千ジュールに引き上げることです。 しかし、チタンサファイアレーザーでは、そのようなエネルギーを達成するのに苦労する。なぜなら、ダメージレス増幅に必要な大きな結晶は、ビームに対して直角にレーザーが照射されるため、パルスのエネルギーを奪ってしまいがちだからだ。 そこで、SEL、XCELS、OPALの科学者たちは、光パラメトリック増幅器と呼ばれるものに期待をかけている。 光パラメトリック増幅器は、光格子によって引き伸ばされたパルスを人工的な「非線形」結晶に送り込み、そこで2番目の「ポンプ」ビームのエネルギーをパルスに取り込むことができる。 7492>

100PWに近づけるためには、このようなパルスをいくつか組み合わせるという方法があります。SELの場合は4つの30PWパルス、XCELSの場合は12個の15PWパルスです。 しかし、数十フェムト秒のパルスを正確に重ねることは「とてもとても難しい」とLLNLのレーザー物理学者Constantin Haefnerは言う。 ほんのわずかな振動や温度変化で、パルスが狂ってしまう可能性があるのだ。 OPALは対照的に、単一のビームを使って75 PWを発生させようとする。

Mourou は100 PWへの別のルートを考えている。 彼は、薄いプラスチックフィルムを使って10PWのレーザーパルスのスペクトルを広げ、次にパルスをわずか数フェムト秒に絞り、その出力を約100PWに高めることを提案している。 多くの科学者は、ペタワットの総数よりも、単位面積当たりの出力である強度を重視する。 よりシャープな焦点を達成すれば、強度も上がります。 もし、Li氏がSELで計画しているように、100PWのパルスをわずか3マイクロメートルのスポットに集中させることができれば、その小さな領域の強度は、1平方センチメートルあたり1024ワット（W/cm2）という驚異的なものになり、地球に当たる太陽光よりも25桁（10兆兆倍）も強くなる。 電磁場が物質とどのように相互作用するかを記述する量子電気力学（QED）の理論によれば、真空は古典物理学が信じているほど空っぽではありません。 電子と陽電子のペアは、量子力学的な不確定性によって、極めて短い時間スケールで、反物質として存在する。 しかし、非常に強力なレーザーを使えば、原理的には、衝突する前に粒子を分離することができます。 他の電磁波と同じように、レーザービームも電場を含んでおり、その電場が前後に揺れる。 レーザー光の強度が上がると、電場の強さも上がる。 ロシア科学アカデミー（RAS）のニジニ・ノヴゴロドにある応用物理学研究所（IAP）の前所長で、現在はRASの会長を務めるアレクサンダー・セルゲイ氏は、「1024W/cm2程度の強度であれば、電子と陽電子の対の一部が互いに引力を失い始めるほど強い電界になります」と話す。 レーザー照射によって粒子が揺さぶられ、電磁波（この場合はガンマ線）が放出される。 このガンマ線が、今度は新しい電子・陽電子ペアを発生させ、さらにそれが繰り返されると、粒子と放射線の雪崩が起こり、それが検出されるのである。 「これは全く新しい物理学になる」とセルゲイエフは言う。 彼は、ガンマ線光子は原子核を励起状態に押しやるのに十分なエネルギーであり、「核フォトニクス」として知られる物理学の新しい分野、すなわち核プロセスを制御するために強い光を使用することの先駆けとなるだろうと付け加えました。

UNIVERSITY OF ROCHESTER LABORATORY FOR LASER ENERGETICS/EUGENE KOWALUK

真空を破る方法の1つは、単一のレーザービームを真空室内の空のスポットに単に焦点を合わせることである。 しかし、2本のビームを衝突させることで、電子と陽電子の質量を生成するのに必要な運動量を増大させることができるため、より簡単に行うことができます。 SELは、間接的に光子を衝突させる。 まず、ヘリウムガスのターゲットから電子を放出させる。 レーザー光の他の光子は、電子に当たって跳ね返り、高エネルギーのガンマ線に昇圧される。 このような光子の正面衝突を記録することは、それ自体、大きな科学的達成となる。 古典物理学では、2本の光ビームは互いにそのまま通過するとされていますが、QEDの初期の予測では、収束する光子が互いに散乱することがあるとされています。 英国プリマス大学の理論物理学者トム・ハインツル氏は、「この予測は1930年代初めまでさかのぼります」と言う。 「この予測は、1930年代初期にさかのぼります」と、英国プリマス大学の理論物理学者Tom Heinzl氏は言います。 多くのレーザーに初期エネルギーを送り込むフラッシュランプは、発射の合間に何分も何時間も冷却しなければなりません。そのため、多くのデータに依存する研究、たとえば、ごくたまに、光子が宇宙の質量の多くを占めると考えられている謎の暗黒物質の粒子に変化するかどうかを調査することが難しくなっています。 テキサス大学オースティン校の物理学者である Manuel Hegelich 氏は、「それを見るには、多くのショットが必要な可能性があります」と述べています。 ある計画では、強力なビームが金属ターゲットをプラズマに変え、電子を解放して、金属表面の原子核から陽子を放出させるでしょう。 7492>

物理学者たちは、レーザーパルスを高速で発射する粒子加速器を夢見ています。 強いレーザーパルスが電子と正イオンのプラズマに当たると、軽い電子が前に押し出され、電荷が分離して二次電界が発生し、高速艇の航跡の水のように、光の後ろにイオンを引き寄せるのです。 この「レーザー航跡場加速」により、従来の加速器では何メートルもかかる荷電粒子を、わずか1〜2ミリメートルで高エネルギーに加速することができる。 このようにして加速された電子は、磁石によって揺動され、自由電子レーザー（FEL）と呼ばれる、非常に明るく短いX線の閃光を発生し、短寿命の化学現象や生物現象を照らすことができるようになる。

長期的には、高繰り返し PW パルスで加速された電子は、素粒子物理学者の夢のマシンである、スイスのジュネーブに近い欧州素粒子物理学研究所 CERN の大型ハドロン衝突型加速器の後継となる 30 キロメートルの電子・陽電子加速器の費用を削減する可能性があります。 100-PW レーザーに基づく装置は、現在想定されている約 100 億ドルの装置よりも少なくとも 10 倍短く、安価になる可能性があると、インペリアル・カレッジ・ロンドンのプラズマ物理学者である Stuart Mangles 氏は述べています。 Mourouたちが研究している1つの可能性は、フラッシュチューブで励起する必要のない何千もの速射型ファイバーアンプの出力を組み合わせることを試みることである。 もう1つの選択肢は、フラッシュ管をダイオード・レーザーで置き換えることです。これは高価ですが、大量生産すれば安くなります。

しかしながら、今のところ、中国のLi氏のグループと米国およびロシアのカウンターパートは、出力に集中しています。 IAPのレーザー物理学者であるEfim Khazanov氏によれば、XCELSは、政府がその費用（約120億ルーブル（約2億ドル））に同意すれば、2026年頃までに稼働させることができるそうです。 一方、OPALは5000万ドルから1億ドルと比較的お買い得だとZuegel氏は言います。

しかし、真空を切り開く最初のレーザーは、中国のSELになりそうです。 昨年7月の科学者の国際委員会は、このレーザーの概念設計を「明確で説得力がある」と評価し、Li氏は今年早々にも政府の承認（約1億ドル）を得たいと考えています。 SELは国際的なユーザー施設として運営されるため、世界で最も強力なレーザーが点灯しても、他の国々が影に隠れていると感じる必要はないと李は言う。 ズーゲル氏は、「2番手になるのは嫌だ」と言いながらも、中国のグループが強い立場にあることは認めている。 「中国は大金を持っている。 「そして、本当に賢い人たちがたくさんいる。 まだ多くの技術で追いついていないが、急速に追いついている」

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