Laser w Szanghaju w Chinach ustanowił rekordy mocy, ale mieści się na blatach.
KAN ZHAN
Wewnątrz ciasnego laboratorium w Szanghaju, w Chinach, fizyk Ruxin Li i koledzy biją rekordy z najpotężniejszymi impulsami światła, jakie kiedykolwiek widział świat. Sercem ich lasera, zwanego Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), jest pojedynczy cylinder z domieszkowanego tytanem szafiru o szerokości zbliżonej do Frisbee. Po rozpaleniu światła w krysztale i skierowaniu go przez system soczewek i luster, SULF destyluje je w impulsy o niesamowitej mocy. W 2016 roku osiągnęła ona bezprecedensowy poziom 5,3 miliona miliardów watów, czyli petawatów (PW). Światła w Szanghaju nie przygasają jednak za każdym razem, gdy laser wystrzeli. Chociaż impulsy są niezwykle silne, są też nieskończenie krótkie, trwają mniej niż bilionową część sekundy. Naukowcy obecnie uaktualniają swój laser i mają nadzieję pobić swój własny rekord do końca tego roku za pomocą strzału 10-PW, który zapakowałby więcej niż 1000 razy moc wszystkich światowych sieci elektrycznych razem wziętych.
Ambicje grupy nie kończą się na tym. W tym roku Li i współpracownicy zamierzają rozpocząć budowę lasera o mocy 100 PW, znanego jako Stacja Ekstremalnego Światła (SEL). Do roku 2023, może to być rzucanie impulsów do komory 20 metrów pod ziemią, poddając cele ekstremalnym temperaturom i ciśnieniu, które normalnie nie występują na Ziemi, co jest dobrodziejstwem dla astrofizyków i materiałoznawców. Laser mógłby również napędzać demonstracje nowego sposobu przyspieszania cząstek, który znalazłby zastosowanie w medycynie i fizyce wysokich energii. Jednak, jak twierdzi Li, najbardziej pociągające byłoby pokazanie, że światło może wyrwać elektrony i ich odpowiedniki z antymaterii, pozytrony, z pustej przestrzeni – zjawisko znane jako „łamanie próżni”. Byłaby to uderzająca ilustracja tego, że materia i energia są wymienne, jak mówi słynne równanie Alberta Einsteina E=mc2. Chociaż broń jądrowa pozwala na przekształcenie materii w ogromne ilości ciepła i światła, to wykonanie odwrotnej operacji nie jest takie proste. Ale Li twierdzi, że SEL jest w stanie sprostać temu zadaniu. „Byłoby to bardzo ekscytujące” – mówi. „Oznaczałoby to, że można wygenerować coś z niczego.”
Chińska grupa jest „zdecydowanie wiodącą drogą” do 100 PW, mówi Philip Bucksbaum, fizyk atomowy na Uniwersytecie Stanforda w Palo Alto, Kalifornia. Ale konkurencja jest spora. W ciągu najbliższych kilku lat urządzenia o mocy 10 PW powinny zostać włączone w Rumunii i Czechach w ramach europejskiego projektu Extreme Light Infrastructure, chociaż projekt ten niedawno odłożył na później swój cel zbudowania urządzenia o mocy 100 PW. Fizycy w Rosji sporządzili projekt lasera o mocy 180 PW, znanego jako Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS), podczas gdy japońscy badacze przedstawili propozycje urządzenia o mocy 30 PW.
W dużej mierze brakuje na polu walki naukowców amerykańskich, którzy pozostali w tyle w wyścigu do wysokich mocy, zgodnie z badaniem opublikowanym w zeszłym miesiącu przez grupę National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, której przewodniczył Bucksbaum. W badaniu wezwano Departament Energii do zaplanowania co najmniej jednego obiektu laserowego o dużej mocy, co daje nadzieję naukowcom z Uniwersytetu Rochester w Nowym Jorku, którzy opracowują plany lasera 75-PW, Optical Parametric Amplifier Line (OPAL). Wykorzystałby on linie wiązki w OMEGA-EP, jednym z najpotężniejszych laserów w kraju. „Raport jest zachęcający,” mówi Jonathan Zuegel, który kieruje OPAL.
Wynalezione w 1960 roku, lasery wykorzystują zewnętrzną „pompę”, taką jak lampa błyskowa, do wzbudzenia elektronów w atomach materiału świecącego – zwykle gazu, kryształu lub półprzewodnika. Kiedy jeden z tych wzbudzonych elektronów powraca do swojego pierwotnego stanu, emituje foton, który z kolei pobudza inny elektron do emisji fotonu, i tak dalej. W przeciwieństwie do rozchodzących się wiązek latarki, fotony w laserze pojawiają się w ściśle upakowanym strumieniu przy określonych długościach fal.
Ponieważ moc równa się energii podzielonej przez czas, istnieją zasadniczo dwa sposoby na jej maksymalizację: Albo zwiększyć energię lasera, albo skrócić czas trwania jego impulsów. W latach 70-tych XX wieku naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) w Kalifornii skupili się na pierwszym z tych rozwiązań, zwiększając energię lasera poprzez prowadzenie wiązki przez dodatkowe kryształy luminescencyjne wykonane ze szkła z domieszką neodymu. Wiązki powyżej pewnego poziomu natężenia mogą jednak uszkodzić wzmacniacze. Aby tego uniknąć, LLNL musiało robić coraz większe wzmacniacze, o średnicy wielu dziesiątków centymetrów. Jednak w 1983 r. Gerard Mourou, obecnie pracujący w École Polytechnique pod Paryżem, i jego koledzy dokonali przełomu. Zdał sobie sprawę, że krótki impuls laserowy może być rozciągnięty w czasie – przez co staje się mniej intensywny – przez siatkę dyfrakcyjną, która rozkłada impuls na jego kolory składowe. Po bezpiecznym wzmocnieniu światła do wyższej energii, można je ponownie skompresować za pomocą drugiej kraty. Rezultat końcowy: mocniejszy impuls i nienaruszony wzmacniacz.
Światło laseroweMirrorPartialmirrorLasing crystalDiffractiongratingNonlinearcrystalPumpSeedAmplifiedpulsePowering upBadacze z Lawrence LivermoreNational Laboratory (LLNL) w Livermore w Kalifornii ustanowili wczesne rekordy mocy poprzez wzmacnianie energii w potężnych maszynach.Jednak laser wielkości pokoju w Szanghaju (Chiny) jest obecnie rekordzistą, po tym jak wycisnął skromne energie w niezwykle krótkich impulsach. Trzy ważne techniki doprowadziły lasery do wysokich mocy.1 Pierwszy laserTheodore Maiman wydobył światło laserowe z 2-centymetrowego kryształu rubinu pompowanego przez lampy błyskowe do fotografii.2 Janus (LLNL)Dwuwiązkowy laser wzmocnił 100-pikosekundowe impulsy do 100 dżuli energii, tworząc pierwszy terawatowy strzał.3 Nova (LLNL)Impulsy z lasera Nova zostały skrócone przy użyciu CPA, aby uzyskać pierwszy petawat.4 National Ignition Facility (LLNL)Strzały skupiają 192 wysokoenergetyczne impulsy na celu, aby wywołać fuzję. Ponieważ impulsy są długie, ich moc nie przekracza petawata.5 ShanghaiSuperintense Ultra fast Laser FacilityDzięki skróceniu impulsów laserowych do zaledwie kilkudziesięciu femtosekund, laboratorium osiągnęło rekordowe moce w systemach stołowych.Blokowanie trybówChoć bardzo czyste, światło laserowe emitowane jest w zakresie długości fal, lub trybów, które powtarzają się we wnękach jak struny gitarowe. Tryby te można zmusić do konstruktywnej interferencji w celu uzyskania intensywnego wybuchu o długości dziesiątków femtosekund.Chirped-pulseamplification (CPA)Intensywne impulsy mogą uszkodzić wzmacniacze. CPA unika tego poprzez rozciąganie impulsu laserowego za pomocą siatki dyfrakcyjnej. Po bezpiecznym wzmocnieniu, impuls jest kompresowany.Optyczne wzmocnienie parametryczneWiązka pomp o wysokiej energii może wzmocnić rozciągnięty impuls w krysztale nieliniowym, który może być tak duży, aby wytrzymać intensywne impulsy.1960198020001990197020102020ExawattPetawattTerawattGigawattMegawattKilowattWatt12345
Takie „chirped-pulse amplification” stało się zszywką laserów dużej mocy. W 1996 roku, umożliwiło to naukowcom LLNL wygenerowanie pierwszego na świecie petawatowego impulsu w laserze Nova. Od tego czasu LLNL dąży do uzyskania wyższych energii w celu uzyskania fuzji jądrowej napędzanej laserem. Laboratorium National Ignition Facility (NIF) wytwarza impulsy o ogromnej energii 1,8 megadżula, starając się podgrzać maleńkie kapsułki wodoru do temperatury fuzji. Jednak te impulsy są stosunkowo długie i nadal generują tylko około 1 PW mocy.
Aby osiągnąć wyższe moce, naukowcy zwrócili się w stronę dziedziny czasu: pakowania energii impulsu w coraz krótsze czasy trwania. Jednym z podejść jest wzmocnienie światła w kryształach szafiru z domieszką tytanu, które wytwarzają światło o dużej rozpiętości częstotliwości. W lustrzanej komorze lasera, impulsy te odbijają się od siebie, a poszczególne składowe częstotliwości mogą się wzajemnie zniwelować przez większość długości impulsu, jednocześnie wzmacniając się w przelotnym impulsie o długości zaledwie kilkudziesięciu femtosekund. Napompuj te impulsy kilkuset dżulami energii, a otrzymasz 10 PW mocy szczytowej. W ten sposób SULF i inne lasery oparte na szafirze mogą bić rekordy mocy przy użyciu sprzętu, który mieści się w dużym pokoju i kosztuje zaledwie kilkadziesiąt milionów dolarów, podczas gdy NIF kosztuje 3,5 miliarda dolarów i wymaga budynku o wysokości 10 pięter, który zajmuje powierzchnię trzech boisk do futbolu amerykańskiego.
Podniesienie mocy impulsu o kolejny rząd wielkości, z 10 PW do 100 PW, będzie wymagało więcej czarów. Jednym z podejść jest zwiększenie energii impulsu z setek do tysięcy dżuli. Ale lasery tytanowo-szafirowe z trudem osiągają takie energie, ponieważ duże kryształy potrzebne do bezuszkodzeniowego wzmocnienia mają tendencję do laseczkowania pod kątem prostym do wiązki, przez co odbierają energię z impulsów. Dlatego naukowcy z SEL, XCELS i OPAL pokładają nadzieję w tak zwanych optycznych wzmacniaczach parametrycznych. Biorą one impuls rozciągnięty przez siatkę optyczną i wysyłają go do sztucznego kryształu „nieliniowego”, w którym energia drugiej wiązki „pompy” może być skierowana do impulsu. Ponowne skompresowanie powstałego wysokoenergetycznego impulsu podnosi jego moc.
Aby zbliżyć się do 100 PW, jedną z opcji jest połączenie kilku takich impulsów – czterech 30-PW w przypadku SEL i tuzina 15-PW w XCELS. Ale precyzyjnie nakładające się impulsy o długości zaledwie kilkudziesięciu femtosekund będą „bardzo, bardzo trudne”, mówi fizyk laserowy LLNL Constantin Haefner. Może je zepchnąć z kursu nawet najmniejsza wibracja lub zmiana temperatury, twierdzi. Z kolei OPAL będzie próbował wygenerować 75 PW przy użyciu pojedynczej wiązki.
Mourou przewiduje inną drogę do 100 PW: dodanie drugiej rundy kompresji impulsu. Proponuje on użycie cienkich plastikowych folii do poszerzenia spektrum impulsów laserowych 10 PW, a następnie ściśnięcie impulsów do zaledwie kilku femtosekund, aby zwiększyć ich moc do około 100 PW.
Gdy konstruktorzy laserów przywołają moc, pojawi się kolejne wyzwanie: doprowadzenie wiązek do pojedynczego, ścisłego skupienia. Wielu naukowców bardziej dba o intensywność – moc na jednostkę powierzchni – niż o całkowitą liczbę petawatów. Osiągnięcie ostrzejszego skupienia powoduje wzrost intensywności. Jeśli impuls 100-PW może być skoncentrowany na miejscu mierzącym zaledwie 3 mikrometry, jak Li planuje dla SEL, intensywność w tym małym obszarze będzie zdumiewające 1024 watów na centymetr kwadratowy (W/cm2)-jakieś 25 rzędów wielkości, lub 10 bilionów bilionów razy, bardziej intensywne niż światło słoneczne uderzające Earth.
Those intensywności otworzy możliwość złamania próżni. Zgodnie z teorią elektrodynamiki kwantowej (QED), która opisuje jak pola elektromagnetyczne oddziałują z materią, próżnia nie jest tak pusta, jak kazałaby nam wierzyć fizyka klasyczna. W niezwykle krótkich skalach czasowych, pary elektronów i pozytonów, ich odpowiedniki w antymaterii, migotają, rodząc się z mechanicznej niepewności kwantowej. Z powodu ich wzajemnego przyciągania, unicestwiają się one nawzajem prawie tak szybko, jak się tworzą.
Ale bardzo intensywny laser mógłby, w zasadzie, rozdzielić cząstki przed ich zderzeniem. Jak każda fala elektromagnetyczna, wiązka laserowa zawiera pole elektryczne, które wiruje tam i z powrotem. Wraz ze wzrostem natężenia wiązki rośnie również siła jej pola elektrycznego. Przy natężeniu około 1024 W/cm2 pole byłoby na tyle silne, że zaczęłoby przerywać wzajemne przyciąganie pomiędzy niektórymi parami elektron-pozyton, mówi Aleksander Siergiejew, były dyrektor Instytutu Fizyki Stosowanej (IAP) Rosyjskiej Akademii Nauk (RAS) w Niżnym Nowogrodzie, a obecnie prezes RAS. Pole laserowe wstrząsałoby cząstkami, powodując emisję fal elektromagnetycznych – w tym przypadku promieni gamma. Promienie gamma z kolei generowałyby nowe pary elektron-pozyton, i tak dalej, w wyniku czego powstałaby lawina cząstek i promieniowania, którą można by wykryć. „To będzie zupełnie nowa fizyka” – mówi Sergeev. Dodaje on, że fotony promieniowania gamma będą wystarczająco energetyczne, aby popchnąć jądra atomowe do stanów wzbudzonych, wprowadzając nową gałąź fizyki znaną jako „fotonika jądrowa” – wykorzystanie intensywnego światła do kontrolowania procesów jądrowych.
Wzmacniacze do OMEGA-EP Uniwersytetu w Rochester, oświetlone lampami błyskowymi, mogłyby napędzać amerykański laser dużej mocy.UNIVERSITY OF ROCHESTER LABORATORY FOR LASER ENERGETICS/EUGENE KOWALUK
Jednym ze sposobów przerwania próżni byłoby po prostu skupienie pojedynczej wiązki laserowej na pustym miejscu wewnątrz komory próżniowej. Ale zderzenie dwóch wiązek czyni to łatwiejszym, ponieważ to podnosi pęd potrzebny do wygenerowania masy dla elektronów i pozytonów. SEL zderzałby fotony pośrednio. Po pierwsze, impulsy wyrzuciłyby elektrony z gazowego celu helowego. Inne fotony z wiązki laserowej odbiłyby się rykoszetem od elektronów i zostałyby wzmocnione do wysokoenergetycznych promieni gamma. Niektóre z nich z kolei zderzałyby się z fotonami optycznymi z wiązki.
Dokumentowanie tych czołowych zderzeń fotonów byłoby samo w sobie dużym osiągnięciem naukowym. Podczas gdy fizyka klasyczna upiera się, że dwie wiązki światła przejdą przez siebie nietknięte, niektóre z najwcześniejszych przewidywań QED zakładają, że zbiegające się fotony od czasu do czasu rozpraszają się nawzajem. „Przewidywania sięgają wczesnych lat trzydziestych XX wieku” – mówi Tom Heinzl, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Plymouth w Wielkiej Brytanii. „Byłoby dobrze, gdybyśmy mogli potwierdzić je doświadczalnie.”
Oprócz tego, że lasery są potężniejsze, naukowcy chcą również sprawić, by strzelały szybciej. Lampy błyskowe, które pompują początkową energię do wielu laserów muszą być chłodzone przez minuty lub godziny pomiędzy kolejnymi strzałami, co utrudnia prowadzenie badań, które opierają się na dużej ilości danych, takich jak badanie czy, bardzo sporadycznie, fotony przekształcają się w cząstki tajemniczej ciemnej materii, o której sądzi się, że stanowi znaczną część masy wszechświata. „Prawdopodobnie trzeba by było wielu strzałów, aby to zobaczyć,” mówi Manuel Hegelich, fizyk z University of Texas w Austin.
Wyższa częstotliwość powtórzeń jest również kluczem do wykorzystania lasera o dużej mocy do napędzania wiązek cząstek. W jednym ze schematów, intensywna wiązka przekształciłaby metalowy cel w plazmę, uwalniając elektrony, które z kolei wyrzuciłyby protony z jąder na powierzchni metalu. Lekarze mogliby wykorzystać te impulsy protonów do niszczenia nowotworów – a wyższy współczynnik odpalania ułatwiłby podawanie leczenia w małych, indywidualnych dawkach.
Fizycy, ze swojej strony, marzą o akceleratorach cząstek zasilanych przez szybko strzelające impulsy laserowe. Kiedy intensywny impuls lasera uderza w plazmę elektronów i jonów dodatnich, popycha lżejsze elektrony do przodu, rozdzielając ładunki i tworząc wtórne pole elektryczne, które ciągnie jony za światłem, jak wodę w śladzie motorówki. To „laserowe pole wakefield acceleration” może przyspieszać naładowane cząstki do wysokich energii na przestrzeni milimetra lub dwóch, w porównaniu do wielu metrów w przypadku konwencjonalnych akceleratorów. Przyspieszone w ten sposób elektrony mogą być poruszane przez magnesy w celu stworzenia tak zwanego lasera na swobodnych elektronach (FEL), który generuje wyjątkowo jasne i krótkie błyski promieniowania rentgenowskiego, mogące oświetlać krótkotrwałe zjawiska chemiczne i biologiczne. Zasilany laserem FEL mógłby być znacznie bardziej kompaktowy i tańszy niż te zasilane przez konwencjonalne akceleratory.
W dłuższej perspektywie elektrony przyspieszane przez impulsy PW o wysokiej powtarzalności mogłyby obniżyć koszt wymarzonej maszyny fizyków cząstek elementarnych: 30-kilometrowego zderzacza elektronowo-pozytonowego, który byłby następcą Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN, europejskim laboratorium fizyki cząstek elementarnych niedaleko Genewy w Szwajcarii. Urządzenie oparte na laserze 100-PW mogłoby być co najmniej 10 razy krótsze i tańsze niż obecnie przewidywana maszyna o wartości około 10 miliardów dolarów, mówi Stuart Mangles, fizyk plazmy z Imperial College London.
Zarówno liniowy zderzacz jak i szybkostrzelny FEL potrzebowałyby tysięcy, jeśli nie milionów strzałów na sekundę, co znacznie wykracza poza obecną technologię. Jedną z możliwości, badaną przez Mourou i kolegów, jest próba połączenia mocy tysięcy szybko strzelających wzmacniaczy światłowodowych, które nie muszą być pompowane lampami błyskowymi. Inną opcją jest zastąpienie lamp błyskowych z laserów diodowych, które są drogie, ale może się tańsze z masowej produkcji.
Na razie jednak, grupa Li w Chinach i jego amerykańskich i rosyjskich odpowiedników koncentrują się na mocy. Efim Khazanov, fizyk laserowy z IAP, twierdzi, że XCELS mógłby być gotowy do pracy do około 2026 roku – zakładając, że rząd zgodzi się na koszty: około 12 miliardów rubli (około 200 milionów dolarów). OPAL, w międzyczasie, byłby relatywnie okazyjny na poziomie od 50 do 100 milionów dolarów, mówi Zuegel.
Ale pierwszym laserem, który rozerwie próżnię będzie prawdopodobnie SEL, w Chinach. Międzynarodowy komitet naukowców w lipcu ubiegłego roku opisał projekt koncepcyjny lasera jako „jednoznaczny i przekonujący”, a Li ma nadzieję uzyskać zgodę rządu na finansowanie – około 100 milionów dolarów – na początku tego roku. Li mówi, że inne kraje nie muszą czuć się pozostawione w cieniu, gdy włącza się najpotężniejszy laser na świecie, ponieważ SEL będzie działał jako międzynarodowy ośrodek użytkownika. Zuegel mówi, że nie „lubi być na drugim miejscu”, ale przyznaje, że chińska grupa ma silną pozycję. „Chiny mają mnóstwo pieniędzy” – mówi. „I mają wielu naprawdę mądrych ludzi. Nadal nadrabiają zaległości w zakresie wielu technologii, ale szybko je nadrabiają.”
.