Natuurkundigen zijn van plan lasers te bouwen die zo krachtig zijn dat ze de lege ruimte kunnen verscheuren

In een krap laboratorium in Shanghai, China, breken natuurkundige Ruxin Li en collega’s records met de krachtigste lichtpulsen die de wereld ooit heeft gezien. Het hart van hun laser, de Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF) genaamd, is een enkele cilinder van titanium-gedoopt saffier met ongeveer de breedte van een frisbee. Nadat het licht in het kristal is aangestoken en door een systeem van lenzen en spiegels is geleid, destilleert de SULF het in pulsen met een verbluffende kracht. In 2016 bereikte het een ongekende 5,3 miljoen miljard watt, of petawatts (PW). De lichten in Shanghai dimmen echter niet elke keer dat de laser afgaat. Hoewel de pulsen buitengewoon krachtig zijn, zijn ze ook oneindig kort: ze duren minder dan een triljoenste van een seconde. De onderzoekers werken nu aan een upgrade van hun laser en hopen tegen het eind van dit jaar hun eigen record te overtreffen met een 10-PW-schot, dat meer dan 1000 keer de kracht zou hebben van alle elektriciteitsnetten ter wereld samen.

De ambities van de groep houden daar niet op. Dit jaar willen Li en collega’s beginnen met de bouw van een 100-PW laser die bekend staat als het Station van Extreem Licht (SEL). Tegen 2023 zou het pulsen kunnen afvuren in een kamer 20 meter onder de grond, waarbij doelen worden onderworpen aan extreme temperaturen en druk die normaal niet op aarde voorkomen, een zegen voor zowel astrofysici als materiaalwetenschappers. De laser kan ook demonstraties mogelijk maken van een nieuwe manier om deeltjes te versnellen voor gebruik in de geneeskunde en de hoge-energiefysica. Maar het meest verleidelijk, zegt Li, zou zijn om te laten zien dat licht elektronen en hun antimaterie tegenhangers, positronen, uit de lege ruimte kan rukken – een fenomeen dat bekend staat als “het doorbreken van het vacuüm”. Het zou een treffende illustratie zijn van het feit dat materie en energie onderling uitwisselbaar zijn, zoals Albert Einstein’s beroemde vergelijking E=mc2 stelt. Hoewel kernwapens getuigen van de omzetting van materie in immense hoeveelheden warmte en licht, is het omgekeerde niet zo gemakkelijk. Maar Li zegt dat het SEL de taak aankan. “Dat zou heel opwindend zijn,” zegt hij. “Het zou betekenen dat je iets kunt genereren uit niets.”

De Chinese groep is “absoluut koploper” op weg naar 100 PW, zegt Philip Bucksbaum, een atoomfysicus aan de Stanford University in Palo Alto, Californië. Maar er is genoeg concurrentie. In de komende paar jaar moeten apparaten van 10 PW worden ingeschakeld in Roemenië en Tsjechië als onderdeel van Europa’s Extreme Light Infrastructure, hoewel het project onlangs zijn doel om een apparaat van 100 PW te bouwen heeft uitgesteld. Natuurkundigen in Rusland hebben een ontwerp gemaakt voor een 180-PW-laser die bekend staat als het Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS), terwijl Japanse onderzoekers voorstellen hebben gedaan voor een 30-PW-apparaat.

Grote afwezige in de strijd zijn de Amerikaanse wetenschappers, die achterop zijn geraakt in de race naar hoge vermogens, volgens een vorige maand gepubliceerde studie door een groep van de National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine die werd voorgezeten door Bucksbaum. In de studie wordt het Department of Energy opgeroepen plannen te maken voor ten minste één laserfaciliteit met hoog vermogen, en dat geeft hoop aan onderzoekers van de Universiteit van Rochester in New York, die plannen ontwikkelen voor een 75-PW-laser, de Optical Parametric Amplifier Line (OPAL). Deze zou gebruik kunnen maken van de bundellijnen van OMEGA-EP, een van de krachtigste lasers van het land. “Het rapport is bemoedigend”, zegt Jonathan Zuegel, die aan het hoofd staat van de OPAL.

Uitgevonden in 1960, gebruiken lasers een externe “pomp”, zoals een flitslamp, om elektronen op te wekken binnen de atomen van een lasermateriaal – meestal een gas, kristal of halfgeleider. Wanneer een van deze aangeslagen elektronen naar zijn oorspronkelijke toestand terugkeert, zendt het een foton uit, dat op zijn beurt een ander elektron stimuleert om een foton uit te zenden, enzovoort. In tegenstelling tot de spreidende stralen van een zaklamp, komen de fotonen in een laser te voorschijn in een dicht opeengepakte stroom op specifieke golflengten.

Omdat vermogen gelijk is aan energie gedeeld door tijd, zijn er in principe twee manieren om het te maximaliseren: Of je verhoogt de energie van je laser, of je verkort de duur van de pulsen. In de jaren 1970 hebben onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Californië zich op de eerste manier geconcentreerd, door de laserenergie op te voeren door de stralen door extra laserkristallen te leiden die gemaakt zijn van met neodymium gedoteerd glas. Bundels boven een bepaalde intensiteit kunnen de versterkers echter beschadigen. Om dit te voorkomen, moest LLNL de versterkers steeds groter maken, vele tientallen centimeters in diameter. Maar in 1983 bereikten Gerard Mourou, nu aan de École Polytechnique bij Parijs, en zijn collega’s een doorbraak. Hij realiseerde zich dat een korte laserpuls in de tijd kon worden uitgerekt – en daardoor minder intens kon worden gemaakt – met behulp van een diffractierooster dat de puls in zijn samenstellende kleuren verdeelt. Na veilig te zijn versterkt tot hogere energieën, kon het licht opnieuw worden gecomprimeerd met een tweede rooster. Het eindresultaat: een krachtigere puls en een intacte versterker.

Deze “chirped-pulse amplification” is een hoofdbestanddeel geworden van lasers met hoog vermogen. In 1996 stelden zij LLNL-onderzoekers in staat de eerste petawattpuls ter wereld te genereren met de Nova laser. Sindsdien heeft LLNL hogere energieën nagestreefd met het oog op lasergestuurde kernfusie. De National Ignition Facility (NIF) van het lab creëert pulsen met een mammoet-energie van 1,8 megajoule in een poging om minuscule waterstofcapsules te verhitten tot fusietemperaturen. Maar die pulsen zijn relatief lang en ze genereren nog steeds maar ongeveer 1 PW aan energie.

Om tot hogere vermogens te komen, hebben wetenschappers zich tot het tijdsdomein gewend: het verpakken van de energie van een puls in steeds kortere tijdsduren. Eén benadering bestaat erin het licht te versterken in titanium-gedoopte saffierkristallen, die licht produceren met een grote spreiding van de frequenties. In een gespiegelde laserkamer kaatsen die pulsen heen en weer, en de afzonderlijke frequentiecomponenten kunnen elkaar over het grootste deel van hun pulslengte opheffen, terwijl ze elkaar versterken in een vluchtige puls van slechts enkele tientallen femtoseconden lang. Pomp die pulsen op met een paar honderd joule energie en je krijgt 10 PW piekvermogen. Dat is hoe de SULF en andere op saffier gebaseerde lasers vermogensrecords kunnen breken met apparatuur die in een grote kamer past en slechts tientallen miljoenen dollars kost, terwijl NIF 3,5 miljard dollar kost en een gebouw van tien verdiepingen hoog nodig heeft dat de oppervlakte van drie Amerikaanse voetbalvelden beslaat.

Om de pulsvermogens met nog een orde van grootte te verhogen, van 10 PW naar 100 PW, is meer tovenarij nodig. Eén benadering is om de energie van de puls op te voeren van honderden tot duizenden joules. Maar titanium-saffierlasers hebben moeite om dergelijke energieën te bereiken omdat de grote kristallen die nodig zijn voor schadevrije versterking de neiging hebben om loodrecht op de bundel te laseren, waardoor energie aan de pulsen wordt onttrokken. Daarom vestigen wetenschappers van SEL, XCELS en OPAL hun hoop op zogeheten optische parametrische versterkers. Deze nemen een door een optisch rooster uitgerekte puls en sturen die naar een kunstmatig “niet-lineair” kristal, waarin de energie van een tweede, “pomp”-straal in de puls kan worden gekanaliseerd. Door de resulterende hoogenergetische puls opnieuw te comprimeren, wordt het vermogen ervan verhoogd.

Om 100 PW te benaderen, is het een optie om verscheidene van dergelijke pulsen te combineren – vier 30-PW pulsen in het geval van de SEL en een dozijn 15-PW pulsen bij de XCELS. Maar precies overlappende pulsen van slechts tientallen femtoseconden lang zullen “zeer, zeer moeilijk” zijn, zegt LLNL-laserfysicus Constantin Haefner. Ze kunnen zelfs door de kleinste trilling of temperatuursverandering van koers worden gebracht, stelt hij. De OPAL daarentegen zal proberen 75 PW te genereren met een enkele bundel.

Mourou ziet een andere route naar 100 PW: het toevoegen van een tweede ronde van pulscompressie. Hij stelt voor om dunne plastic films te gebruiken om het spectrum van 10 PW laserpulsen te verbreden, en dan de pulsen samen te knijpen tot slechts een paar femtoseconden om hun vermogen op te voeren tot ongeveer 100 PW.

Als de laserbouwers eenmaal het vermogen hebben bereikt, doemt er een andere uitdaging op: de bundels tot een enkelvoudig strak brandpunt brengen. Veel wetenschappers geven meer om de intensiteit – het vermogen per oppervlakte-eenheid – dan om het totale aantal petawatts. Als je je beter kunt concentreren, gaat de intensiteit omhoog. Als een puls van 100 PW kan worden gericht op een plek met een doorsnede van slechts 3 micrometer, zoals Li van plan is voor de SEL, zal de intensiteit in dat kleine gebied een verbazingwekkende 1024 watt per vierkante centimeter (W/cm2) bedragen – zo’n 25 orden van grootte, of 10 triljoen triljoen keer, intenser dan het zonlicht dat de aarde treft.

Die intensiteiten openen de mogelijkheid om het vacuüm te doorbreken. Volgens de theorie van de kwantum elektrodynamica (QED), die beschrijft hoe elektromagnetische velden op materie inwerken, is het vacuüm niet zo leeg als de klassieke natuurkunde ons wil doen geloven. Over extreem korte tijdschalen flikkeren paren elektronen en positronen, hun antimaterie tegenhangers, in het leven, geboren uit kwantummechanische onzekerheid. Door hun wederzijdse aantrekkingskracht, vernietigen zij elkaar bijna zodra zij gevormd zijn.

Maar een zeer intense laser zou, in principe, de deeltjes kunnen scheiden voordat zij botsen. Zoals elke elektromagnetische golf, bevat een laserstraal een elektrisch veld dat heen en weer zwiept. Naarmate de intensiteit van de straal toeneemt, neemt ook de sterkte van het elektrisch veld toe. Bij intensiteiten rond 1024 W/cm2 zou het veld sterk genoeg zijn om de onderlinge aantrekkingskracht tussen sommige elektron-positronparen te breken, zegt Alexander Sergeev, voormalig directeur van het Instituut voor Toegepaste Fysica (IAP) van de Russische Academie van Wetenschappen (RAS) in Nizjni Novgorod en nu voorzitter van de RAS. Het laserveld zou de deeltjes dan door elkaar schudden, waardoor zij elektromagnetische golven zouden uitzenden – in dit geval gammastralen. De gammastralen zouden op hun beurt nieuwe elektron-positronparen genereren, enzovoort, wat zou resulteren in een lawine van deeltjes en straling die kan worden gedetecteerd. “Dit wordt een compleet nieuwe fysica,” zegt Sergeev. Hij voegt eraan toe dat de gammastraalfotonen energetisch genoeg zouden zijn om atoomkernen in aangeslagen toestanden te duwen, waarmee een nieuwe tak van de fysica wordt ingeluid die bekend staat als “nucleaire fotonica” – het gebruik van intens licht om nucleaire processen te beheersen.

Eén manier om het vacuüm te doorbreken zou zijn om eenvoudigweg een enkele laserstraal te richten op een lege plek binnen een vacuümkamer. Maar het botsen van twee stralen maakt het gemakkelijker, omdat dit het momentum verhoogt dat nodig is om de massa voor elektronen en positronen te genereren. De SEL zou fotonen indirect laten botsen. Eerst werpen de pulsen elektronen uit een heliumgas. Andere fotonen van de laserstraal ketsen af op de elektronen en worden opgewerkt tot hoogenergetische gammastralen. Sommige daarvan zouden op hun beurt botsen met optische fotonen van de laserstraal.

Het documenteren van deze frontale botsingen van fotonen zou op zichzelf een belangrijke wetenschappelijke prestatie zijn. Terwijl de klassieke natuurkunde volhoudt dat twee lichtbundels onaangeroerd door elkaar heen gaan, stipuleren enkele van de vroegste voorspellingen van QED dat convergerende fotonen af en toe op elkaar afketsen. “De voorspellingen gaan terug tot het begin van de jaren dertig,” zegt Tom Heinzl, theoretisch natuurkundige aan de universiteit van Plymouth in het Verenigd Koninkrijk. “Het zou mooi zijn als we ze experimenteel kunnen bevestigen.”

Naast het krachtiger maken van lasers, willen onderzoekers ze ook sneller laten schieten. De flitslampen die de aanvankelijke energie in veel lasers pompen, moeten tussen de schoten door minuten of uren worden gekoeld, wat het moeilijk maakt om onderzoek te doen dat op veel gegevens is gebaseerd, zoals onderzoeken of fotonen heel af en toe veranderen in deeltjes van de mysterieuze donkere materie waarvan wordt gedacht dat ze een groot deel van de massa van het universum uitmaken. “De kans is groot dat je veel opnamen nodig hebt om dat te zien,” zegt Manuel Hegelich, een natuurkundige aan de universiteit van Texas in Austin.

Een hogere herhalingssnelheid is ook de sleutel tot het gebruik van een krachtige laser om deeltjesbundels aan te drijven. In één opzet zou een intense straal een metalen doelwit in een plasma veranderen, waarbij elektronen vrijkomen die op hun beurt protonen uit kernen op het metaaloppervlak zouden wegschieten. Artsen zouden die protonimpulsen kunnen gebruiken om kanker te vernietigen, en een hogere vuursnelheid zou het gemakkelijker maken om de behandeling in kleine, individuele doses toe te dienen.

Fysici van hun kant dromen van deeltjesversnellers die worden aangedreven door snelvurende laserpulsen. Wanneer een intense laserimpuls een plasma van elektronen en positieve ionen treft, duwt hij de lichtere elektronen naar voren, waarbij de ladingen worden gescheiden en een secundair elektrisch veld wordt gecreëerd dat de ionen achter het licht aan trekt, zoals water in het kielzog van een speedboot. Deze “laser-wakefieldversnelling” kan geladen deeltjes versnellen tot hoge energieën in een millimeter of twee, vergeleken met vele meters voor conventionele versnellers. De aldus versnelde elektronen zouden door magneten kunnen worden gewiegd om een zogenaamde vrije-elektronenlaser (FEL) te creëren, die uitzonderlijk heldere en korte flitsen van röntgenstraling genereert die kortstondige chemische en biologische verschijnselen kunnen verlichten. Een door een laser aangedreven FEL zou veel compacter en goedkoper kunnen zijn dan die welke door conventionele versnellers worden aangedreven.

Op lange termijn zouden elektronen die worden versneld door PW-pulsen met een hoge herhaling, de kosten kunnen drukken van de droommachine van deeltjesfysici: een 30 kilometer lange elektron-positron-collider die een opvolger zou zijn van de Large Hadron Collider bij CERN, het Europese deeltjesfysicalaboratorium in de buurt van Genève, Zwitserland. Een apparaat op basis van een 100-PW laser zou minstens tien keer korter en goedkoper kunnen zijn dan de ruwweg 10 miljard dollar kostende machine die nu wordt overwogen, zegt Stuart Mangles, een plasmafysicus aan het Imperial College London.

Zowel de lineaire collider als de snelvurende FEL’s zouden duizenden, zo niet miljoenen, schoten per seconde nodig hebben, veel verder dan de huidige technologie. Een mogelijkheid, die door Mourou en collega’s wordt onderzocht, is om te proberen de output van duizenden snelvurende vezelversterkers te combineren, die niet met flitsbuizen behoeven te worden gepompt. Een andere mogelijkheid is om de flitsbuizen te vervangen door diodelasers, die duur zijn, maar goedkoper zouden kunnen worden met massaproduktie.

Voorlopig echter concentreert de groep van Li in China en zijn tegenhangers in de V.S. en Rusland zich op het vermogen. Efim Khazanov, een laserfysicus bij IAP, zegt dat de XCELS rond 2026 operationeel zou kunnen zijn – ervan uitgaande dat de regering akkoord gaat met de kosten: ruwweg 12 miljard roebel (ongeveer 200 miljoen dollar). De OPAL, ondertussen, zou een relatief koopje zijn voor tussen de 50 en 100 miljoen dollar, zegt Zuegel.

Maar de eerste laser die het vacuüm zal openbreken, zal waarschijnlijk de SEL zijn, in China. Een internationaal comité van wetenschappers beschreef in juli het conceptuele ontwerp van de laser als “ondubbelzinnig en overtuigend”, en Li hoopt begin dit jaar goedkeuring van de regering te krijgen voor de financiering – ongeveer 100 miljoen dollar. Li zegt dat andere landen zich niet in de schaduw hoeven te voelen als ’s werelds krachtigste laser wordt ingeschakeld, omdat de SEL zal opereren als een internationale gebruikersfaciliteit. Zuegel zegt dat hij niet “graag op de tweede plaats komt”, maar erkent dat de Chinese groep in een sterke positie verkeert. “China heeft genoeg geld,” zegt hij. “En het heeft een heleboel echt slimme mensen. Het is nog steeds bezig met een inhaalslag op het gebied van veel van de technologie, maar het haalt die snel in.”