Um laser em Xangai, China, estabeleceu recordes de potência e ainda cabe em tampos de mesa.
KAN ZHAN
Dentro de um laboratório apertado em Xangai, China, o físico Ruxin Li e colegas estão batendo recordes com os pulsos de luz mais poderosos que o mundo já viu. No coração do seu laser, chamado de Shangai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), está um único cilindro de safira de titânio com a largura de um Frisbee. Depois de acender a luz no cristal e de a desviar através de um sistema de lentes e espelhos, a SULF destila-a em pulsos de poder espantoso. Em 2016, atingiu uma potência sem precedentes de 5,3 milhões de watts, ou petawatts (PW). No entanto, as luzes em Xangai não diminuem a cada vez que o laser dispara. Embora os pulsos sejam extraordinariamente poderosos, são também infinitamente breves, durando menos de um trilião de segundo. Os investigadores estão agora a actualizar o seu laser e esperam bater o seu próprio recorde até ao final deste ano com um disparo de 10-PW, o que iria embalar mais de 1000 vezes a potência de todas as redes eléctricas do mundo combinadas.
As ambições do grupo não terminam aí. Este ano, Li e colegas pretendem começar a construir um laser de 100-PW conhecido como a Estação de Luz Extrema (SEL). Em 2023, ele poderia estar lançando pulsos em uma câmara 20 metros subterrânea, sujeitando alvos a extremos de temperatura e pressão normalmente não encontrados na Terra, uma vantagem tanto para astrofísicos quanto para cientistas de materiais. O laser poderia também potenciar demonstrações de uma nova forma de acelerar partículas para uso em medicina e física de alta energia. Mas o mais tentador, diz Li, seria mostrar que a luz poderia rasgar elétrons e seus equivalentes antimatéria, positrões, do espaço vazio – um fenômeno conhecido como “quebrar o vácuo”. Seria uma ilustração impressionante que matéria e energia são intercambiáveis, como diz a famosa equação E=mc2 de Albert Einstein. Embora as armas nucleares atestem a conversão da matéria em imensas quantidades de calor e luz, fazer o contrário não é tão fácil. Mas Li diz que o SEL está à altura da tarefa. “Isso seria muito excitante”, diz ele. “Significaria que você poderia gerar algo do nada.”
O grupo chinês está “definitivamente liderando o caminho” para 100 PW, diz Philip Bucksbaum, um físico atômico da Universidade de Stanford em Palo Alto, Califórnia. Mas há muita competição. Nos próximos anos, os dispositivos 10-PW devem ser ligados na Roménia e na República Checa como parte da Infra-estrutura de Luz Extrema da Europa, embora o projecto tenha recentemente adiado o seu objectivo de construir um dispositivo à escala 100-PW. Os físicos na Rússia elaboraram um projeto para um laser de 180-PW conhecido como o Centro Exawatt para Estudos de Luz Extrema (XCELS), enquanto os pesquisadores japoneses apresentaram propostas para um dispositivo de 30-PW.
Muito ausentes na briga estão os cientistas americanos, que ficaram para trás na corrida para as altas potências, de acordo com um estudo publicado no mês passado por um grupo de Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina que foi presidido por Bucksbaum. O estudo convida o Departamento de Energia a planejar pelo menos uma instalação de laser de alta potência, o que dá esperança aos pesquisadores da Universidade de Rochester em Nova York, que estão desenvolvendo planos para um laser de 75-PW, a Linha Amplificadora Óptica Paramétrica (OPAL). Ela aproveitaria as linhas de feixe no OMEGA-EP, um dos lasers mais potentes do país. “O relatório é encorajador”, diz Jonathan Zuegel, que dirige a OPAL.
Inventado em 1960, os lasers usam uma “bomba” externa, como uma lâmpada de flash, para excitar elétrons dentro dos átomos de um material de laser – normalmente um gás, cristal ou semicondutor. Quando um desses elétrons excitados volta ao seu estado original, ele emite um fóton, que por sua vez estimula outro elétron a emitir um fóton, e assim por diante. Ao contrário dos feixes de propagação de uma lanterna, os fótons em um laser emergem em um fluxo bem embalado em comprimentos de onda específicos.
Porque a energia é igual à energia dividida pelo tempo, existem basicamente duas maneiras de maximizá-la: Ou aumenta a energia do seu laser, ou encurta a duração dos seus impulsos. Nos anos 70, pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) na Califórnia focaram no primeiro, impulsionando a energia do laser através do roteamento de feixes de cristais de vidro dopados com neodímio. Feixes acima de uma certa intensidade, no entanto, podem danificar os amplificadores. Para evitar isso, LLNL teve que tornar os amplificadores cada vez maiores, muitas dezenas de centímetros de diâmetro. Mas em 1983, Gerard Mourou, agora na École Polytechnique, perto de Paris, e seus colegas fizeram um avanço. Ele percebeu que um pulso laser curto poderia ser esticado no tempo – tornando-o menos intenso – por uma grade de difração que espalha o pulso em suas cores componentes. Depois de ser amplificada com segurança para energias superiores, a luz poderia ser recompactada com uma segunda grelha. O resultado final: um pulso mais potente e um amplificador intacto.
Laser lightMirrorPartialmirrorLasing crystalDiffractiongratingNonlinearcrystalPumpSeedAmplifiedpulsePowering upResearchers at Lawrence LivermoreNational Laboratory (LLNL) in Livermore, California, set early power record by am-plifying energy in mammoth machines.Mas um laser do tamanho de uma sala em Xangai, China, agora detém o recorde, depois de comprimir energias modestas em rajadas extremamente curtas. Três técnicas importantes impulsionaram os lasers a altas potências.1 O primeiro laserTheodore Maiman coaxou a luz laser de um cristal de rubi de 2 cm de comprimento bombeado por lâmpadas de flash fotográficas.2 Janus (LLNL)O laser de dois feixes de 100 picossegundos amplificado pulsa a 100 joules de energia para criar o primeiro tiro de terawatt.3 Nova (LLNL)Os pulsos do laser Nova foram encurtados usando CPA para alcançar o primeiro petawatt.4 National Ignition Facility (LLNL)Os pulsos focalizam 192 pulsos de alta energia em um alvo para induzir a fusão. Como os pulsos são longos, sua potência não excede um petawatt.5 ShangaiSuperintense Ultra Fast Laser FacilityAo apertar o pulso do laser apenas dezenas de cabos de fêmures, o laboratório atingiu recordes de potência com sistemas de mesa.Modo de travamentoAlém de ser muito puro, a luz do laser é emitida sobre uma gama de comprimentos de onda, ou modos, que ressurgem em cavidades como cordas de guitarra. Estes modos podem ser feitos para interferir construtivamente para uma explosão intensa de dezenas de femtossegundos longos. A CPA evita isso ao esticar um pulso de laser com grelhas de difração. Após uma amplificação segura, o pulso é comprimido. Parametricamplificação óptica Um feixe de bomba de alta energia pode amplificar um pulso de semente esticado dentro de um cristal não-linear que pode ser feito grande para suportar entradas intensas.1960198020001990197020102020ExawattPetawattTerawattGigawattMegawattKilowattWatt12345
Esta “amplificação de pulsos chilreados” tornou-se um grampo de lasers de alta potência. Em 1996, permitiu aos pesquisadores da LLNL gerar o primeiro pulso petawatt do mundo com o laser Nova. Desde então, LLNL tem impulsionado para energias mais elevadas em busca da fusão impulsionada pelo laser. O National Ignition Facility (NIF) do laboratório cria pulsos com um mamute de 1,8 megajoules de energia em um esforço para aquecer pequenas cápsulas de hidrogênio a temperaturas de fusão. No entanto, esses pulsos são comparativamente longos e ainda geram apenas cerca de 1 PW de energia.
Para chegar a potências superiores, os cientistas voltaram-se para o domínio do tempo: embalar a energia de um pulso em durações cada vez mais curtas. Uma abordagem é amplificar a luz em cristais de safira feitos de titânio, que produzem luz com uma grande dispersão de frequências. Em uma câmara de laser espelhado, esses pulsos ricocheteiam para frente e para trás, e os componentes individuais de freqüência podem ser feitos para cancelar uns aos outros durante a maior parte do seu comprimento de pulso, enquanto se reforçam mutuamente em um pulso fugaz de apenas algumas dezenas de femtossegundos de comprimento. Bombeia esses pulsos com algumas centenas de joules de energia e você obtém 10 PW de potência de pico. É assim que o SULF e outros lasers baseados em safira podem quebrar recordes de energia com equipamento que cabe em uma grande sala e custa apenas dezenas de milhões de dólares, enquanto o NIF custa 3,5 bilhões de dólares e precisa de um prédio de 10 andares de altura que cobre a área de três campos de futebol dos EUA.
Aumentar a energia de pulso por outra ordem de magnitude, de 10 PW para 100 PW, vai exigir mais feitiçaria. Uma abordagem é aumentar a energia do pulso de centenas para milhares de joules. Mas os lasers de titânio-safira lutam para conseguir essas energias porque os grandes cristais necessários para uma amplificação sem danos tendem a se perder em ângulos rectos em relação ao feixe, drenando a energia dos impulsos. Então os cientistas da SEL, XCELS e OPAL estão depositando suas esperanças nos chamados amplificadores paramétricos ópticos. Estes tomam um pulso esticado por uma grade óptica e o enviam para um cristal artificial “não linear”, no qual a energia de um segundo feixe, “bomba”, pode ser canalizada para o pulso. Recomprimir o pulso de alta energia resultante aumenta a sua potência.
Para se aproximar dos 100 PW, uma opção é combinar vários desses pulsos – quatro pulsos de 30-PW no caso do SEL e uma dúzia de pulsos de 15-PW no XCELS. Mas a sobreposição precisa de pulsos com apenas dezenas de femtossegundos será “muito, muito difícil”, diz o físico do laser LLNL Constantin Haefner. Eles podem ser desviados do curso até mesmo pela menor vibração ou mudança na temperatura, argumenta ele. O OPAL, em contraste, tentará gerar 75 PW usando um único feixe.
Mourou prevê uma rota diferente para 100 PW: adicionando uma segunda rodada de compressão de pulso. Ele propõe o uso de filmes plásticos finos para ampliar o espectro de pulsos laser de 10 PW, então apertando os pulsos para tão pouco quanto um par de femtossegundos para aumentar sua potência para cerca de 100 PW.
A partir do momento em que os construtores do laser invocarem a potência, outro desafio surgirá: trazer os feixes para um foco singularmente apertado. Muitos cientistas se preocupam mais com a intensidade – a potência por unidade – do que com o número total de petawatts. Atingir um foco mais nítido, e a intensidade sobe. Se um pulso de 100-PW pode ser focalizado para um ponto com apenas 3 micrômetros de diâmetro, como Li está planejando para o SEL, a intensidade nessa pequena área será de espantosos 1024 watts por centímetro quadrado (W/cm2) – cerca de 25 ordens de magnitude, ou 10 trilhões de trilhões de vezes, mais intensa que a luz solar que atinge a Terra.
Essas intensidades abrirão a possibilidade de quebrar o vácuo. Segundo a teoria da eletrodinâmica quântica (QED), que descreve como os campos eletromagnéticos interagem com a matéria, o vácuo não é tão vazio como a física clássica nos faria acreditar. Em escalas de tempo extremamente curtas, pares de elétrons e pósitrons, suas contrapartidas antimatéria, tremulam em existência, nascidos da incerteza mecânica quântica. Devido à sua atração mútua, eles aniquilam-se uns aos outros quase tão logo se formam.
Mas um laser muito intenso poderia, em princípio, separar as partículas antes que elas colidissem. Como qualquer onda eletromagnética, um raio laser contém um campo elétrico que chicoteia para frente e para trás. À medida que a intensidade do feixe aumenta, também aumenta a força do seu campo elétrico. Com intensidades em torno de 1024 W/cm2, o campo seria suficientemente forte para começar a quebrar a atração mútua entre alguns dos pares elétron-positrons, diz Alexander Sergeev, ex-diretor do Instituto de Física Aplicada (IAP) da Academia de Ciências da Rússia (RAS) em Nizhny Novgorod e agora presidente do RAS. O campo laser então sacudiria as partículas, fazendo-as emitir ondas eletromagnéticas – neste caso, raios gama. Os raios gama, por sua vez, gerariam novos pares elétron-positrons, etc., resultando numa avalanche de partículas e radiação que poderiam ser detectadas. “Isto será uma física completamente nova”, diz Sergeev. Ele acrescenta que os fótons de raios gama seriam energéticos o suficiente para empurrar os núcleos atômicos para estados excitados, dando início a um novo ramo da física conhecido como “fotônica nuclear” – o uso de luz intensa para controlar os processos nucleares.
Amplificadores para o OMEGA-EP da Universidade de Rochester, iluminados por lâmpadas de flash, poderiam conduzir um U.S. high-power laser.
UNIVERSITY OF ROCHESTER LABORATORY FOR LASER ENERGETICS/EUGENE KOWALUK
Uma forma de quebrar o vácuo seria simplesmente focar um único raio laser num ponto vazio dentro de uma câmara de vácuo. Mas a colisão de dois feixes facilita o processo, pois este aumenta o impulso necessário para gerar a massa para electrões e pósitrons. O SEL colidiria com os fótons indiretamente. Primeiro, os pulsos ejetariam os elétrons de um alvo de gás hélio. Outros fótons do raio laser fariam ricochete nos elétrons e seriam impulsionados para raios gama de alta energia. Alguns destes, por sua vez, colidiriam com fótons ópticos do feixe.
Documentar estas colisões com fótons frontais seria, por si só, um grande feito científico. Enquanto a física clássica insiste que dois feixes de luz passarão um pelo outro sem serem tocados, algumas das primeiras previsões do QED estipulam que os fótons convergentes ocasionalmente se dispersam um ao outro. “As previsões remontam ao início da década de 1930”, diz Tom Heinzl, um físico teórico da Universidade de Plymouth, no Reino Unido. “Seria bom se pudéssemos confirmá-los experimentalmente.”
Besides tornando os lasers mais poderosos, os pesquisadores também querem fazê-los disparar mais rápido. As lâmpadas de flash que bombeiam a energia inicial em muitos lasers devem ser resfriadas por minutos ou horas entre disparos, dificultando a realização de pesquisas que dependem de muitos dados, como investigar se, muito ocasionalmente, os fótons se transformam em partículas da misteriosa matéria escura que se pensa constituir a maior parte da massa do universo. “Provavelmente você precisaria de muitas fotos para ver isso”, diz Manuel Hegelich, físico da Universidade do Texas em Austin.
Uma taxa de repetição mais alta também é a chave para usar um laser de alta potência para dirigir feixes de partículas. Em um esquema, um feixe intenso transformaria um alvo metálico em um plasma, liberando elétrons que, por sua vez, ejetariam prótons dos núcleos na superfície do metal. Os médicos poderiam usar esses pulsos de prótons para destruir o câncer – e uma maior taxa de disparo facilitaria a administração do tratamento em doses pequenas e individuais.
Físicos, por sua vez, sonham com aceleradores de partículas alimentados por pulsos de laser de disparo rápido. Quando um pulso laser intenso atinge um plasma de elétrons e íons positivos, ele empurra os elétrons mais leves para frente, separando as cargas e criando um campo elétrico secundário que puxa os íons para trás da luz como água, na esteira de uma lancha. Esta “aceleração do despertar do laser” pode acelerar as partículas carregadas a altas energias no espaço de um milímetro ou dois, em comparação com muitos metros para aceleradores convencionais. Os elétrons assim acelerados podem ser agitados por ímãs para criar um chamado laser de elétron livre (FEL), que gera flashes excepcionalmente brilhantes e breves de raios X que podem iluminar fenômenos químicos e biológicos de curta duração. Um FEL alimentado por laser poderia ser muito mais compacto e barato do que aqueles alimentados por aceleradores convencionais.
A longo prazo, os elétrons acelerados por pulsos PW de alta repetição poderiam reduzir o custo da máquina dos sonhos dos físicos de partículas: um colisor de elétron-positrons de 30 quilômetros de comprimento que seria um sucessor do Grande Colisor de Hadrões no CERN, o laboratório europeu de física de partículas perto de Genebra, Suíça. Um dispositivo baseado num laser de 100-PW poderia ser pelo menos 10 vezes mais curto e mais barato do que a máquina de aproximadamente 10 bilhões de dólares agora prevista, diz Stuart Mangles, um físico de plasma do Imperial College London.
Bambos o colisor linear e os FELs de disparo rápido precisariam de milhares, se não milhões, de disparos por segundo, muito além da tecnologia atual. Uma possibilidade, sendo investigada por Mourou e colegas, é tentar combinar a saída de milhares de amplificadores de fibra de queima rápida, que não precisam ser bombeados com tubos de flash. Outra opção é substituir os tubos flash por lasers de diodo, que são caros, mas poderiam ficar mais baratos com a produção em massa.
Por enquanto, no entanto, o grupo de Li na China e seus homólogos norte-americanos e russos estão se concentrando na energia. Efim Khazanov, um físico laser da IAP, diz que o XCELS poderia estar pronto e funcionando por volta de 2026-assumindo que o governo concorda com o custo: cerca de 12 bilhões de rublos (cerca de 200 milhões de dólares). O OPAL, entretanto, seria uma pechincha relativa entre $50 milhões e $100 milhões, diz Zuegel.
Mas o primeiro laser a rasgar o vácuo é provável que seja o SEL, na China. Um comitê internacional de cientistas em julho passado descreveu o projeto conceitual do laser como “inequívoco e convincente”, e Li espera obter a aprovação do governo para o financiamento – cerca de 100 milhões de dólares – este ano. Li diz que outros países não precisam se sentir na sombra enquanto o laser mais potente do mundo se liga, porque o SEL vai operar como uma instalação internacional de usuário. Zuegel diz que não “gosta de ser o segundo,” mas reconhece que o grupo chinês está em uma posição forte. “A China tem muito dinheiro”, diz ele. “E tem muita gente muito inteligente. Ainda está a recuperar muito da tecnologia, mas está a recuperar rapidamente”