Un laser din Shanghai, China, a stabilit recorduri de putere, dar încă se potrivește pe mesele de lucru.
KAN ZHAN
În interiorul unui laborator înghesuit din Shanghai, China, fizicianul Ruxin Li și colegii săi doboară recorduri cu cele mai puternice impulsuri de lumină pe care lumea le-a văzut vreodată. În centrul laserului lor, numit Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), se află un singur cilindru de safir dopat cu titan, cu lățimea unui Frisbee. După ce aprinde lumina în cristal și o dirijează printr-un sistem de lentile și oglinzi, SULF o distilează în impulsuri de o putere uluitoare. În 2016, a atins o putere fără precedent de 5,3 milioane de miliarde de wați, sau petawați (PW). Cu toate acestea, luminile din Shanghai nu se sting de fiecare dată când laserul pornește. Deși impulsurile sunt extraordinar de puternice, ele sunt, de asemenea, infinitezimal de scurte, durând mai puțin de o trilionime de secundă. Cercetătorii își îmbunătățesc acum laserul și speră să își bată propriul record până la sfârșitul acestui an cu un tir de 10 PW, care ar avea o putere de peste 1000 de ori mai mare decât cea a tuturor rețelelor electrice din lume la un loc.
Ambițiile grupului nu se opresc aici. Anul acesta, Li și colegii săi intenționează să înceapă să construiască un laser de 100-PW, cunoscut sub numele de Stația de lumină extremă (SEL). Până în 2023, aceasta ar putea lansa impulsuri într-o cameră aflată la 20 de metri sub pământ, supunând țintele la temperaturi și presiuni extreme care nu se găsesc în mod normal pe Pământ, un avantaj atât pentru astrofizicieni, cât și pentru oamenii de știință din domeniul materialelor. Laserul ar putea, de asemenea, să permită demonstrații ale unui nou mod de accelerare a particulelor pentru utilizarea în medicină și în fizica energiilor înalte. Dar cel mai atrăgător, spune Li, ar fi să demonstreze că lumina ar putea smulge electroni și omologii lor antimaterie, pozitronii, din spațiul gol – un fenomen cunoscut sub numele de „ruperea vidului”. Ar fi o ilustrare izbitoare a faptului că materia și energia sunt interschimbabile, așa cum afirmă celebra ecuație E=mc2 a lui Albert Einstein. Deși armele nucleare atestă conversia materiei în cantități imense de căldură și lumină, să faci invers nu este atât de ușor. Dar Li spune că SEL este pregătită pentru această sarcină. „Ar fi foarte interesant”, spune el. „Ar însemna că ai putea genera ceva din nimic.”
Grupul chinez este „cu siguranță în fruntea drumului” spre 100 PW, spune Philip Bucksbaum, fizician atomist la Universitatea Stanford din Palo Alto, California. Dar există multă concurență. În următorii câțiva ani, dispozitive de 10 PW ar trebui să pornească în România și în Republica Cehă ca parte a Infrastructurii de Lumină Extremă a Europei, deși proiectul și-a amânat recent obiectivul de a construi un dispozitiv la scară de 100 PW. Fizicienii din Rusia au elaborat un proiect pentru un laser de 180-PW, cunoscut sub numele de Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS), în timp ce cercetătorii japonezi au înaintat propuneri pentru un dispozitiv de 30-PW.
În mare parte, din luptă lipsesc oamenii de știință din SUA, care au rămas în urmă în cursa către puteri mari, potrivit unui studiu publicat luna trecută de un grup al Academiilor Naționale de Științe, Inginerie și Medicină care a fost prezidat de Bucksbaum. Studiul solicită Departamentului pentru Energie să planifice cel puțin o instalație laser de mare putere, iar acest lucru dă speranțe cercetătorilor de la Universitatea Rochester din New York, care dezvoltă planuri pentru un laser de 75-PW, Optical Parametric Amplifier Line (OPAL). Acesta ar urma să profite de liniile de fascicule de la OMEGA-EP, unul dintre cele mai puternice lasere din țară. „Raportul este încurajator”, spune Jonathan Zuegel, care conduce OPAL.
Inventate în 1960, laserele folosesc o „pompă” externă, cum ar fi o lampă flash, pentru a excita electronii din atomii unui material laser – de obicei un gaz, un cristal sau un semiconductor. Când unul dintre acești electroni excitați revine la starea inițială, el emite un foton, care, la rândul său, stimulează un alt electron să emită un foton, și așa mai departe. Spre deosebire de razele de împrăștiere ale unei lanterne, fotonii dintr-un laser ies într-un flux strâns ambalat la lungimi de undă specifice.
Pentru că puterea este egală cu energia împărțită la timp, există practic două moduri de a o maximiza: Fie măriți energia laserului dumneavoastră, fie scurtați durata impulsurilor sale. În anii 1970, cercetătorii de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) din California s-au concentrat pe prima variantă, sporind energia laserului prin dirijarea fasciculelor prin cristale laser suplimentare realizate din sticlă dopată cu neodim. Cu toate acestea, fasciculele care depășesc o anumită intensitate pot deteriora amplificatoarele. Pentru a evita acest lucru, LLNL a trebuit să facă amplificatoarele din ce în ce mai mari, cu multe zeci de centimetri în diametru. Dar în 1983, Gerard Mourou, acum la École Polytechnique de lângă Paris, și colegii săi au făcut o descoperire. Aceștia și-au dat seama că un impuls laser scurt poate fi întins în timp – făcându-l astfel mai puțin intens – printr-o rețea de difracție care împrăștie impulsul în culorile sale componente. După ce a fost amplificată în condiții de siguranță la energii mai mari, lumina ar putea fi recomprimată cu un al doilea grătar. Rezultatul final: un impuls mai puternic și un amplificator intact.
Lumina laseruluiMirorăParțialăMirorăCristal de luminareCristal de difracțieGrilă de difracțieCristal neonarcinatPompăSăgeatăImpuls amplificatAmplificareCercetătorii de la Lawrence LivermoreNational Laboratory (LLNL) din Livermore, California, au stabilit primele recorduri de putere prin am-plificarea energiilor în mașini mamut.Dar un laser de mărimea unei camere din Shanghai, China, deține acum recordul, după ce a comprimat energii modeste în explozii extrem de scurte. Trei tehnici importante au propulsat laserele la puteri mari.1 Primul laserTheodore Maiman a obținut lumină laser de la un cristal de rubin de 2 centimetri lungime, pompat de lămpi fotografice cu bliț.2 Janus (LLNL)Laserul cu două fascicule a amplificat impulsuri de 100 de picoseciunde până la 100 de jouli de energie pentru a crea prima împușcătură de un terawatt.3 Nova (LLNL)Impulsurile de la laserul Nova au fost scurtate cu ajutorul CPA pentru a obține primul petawatt.4 National Ignition Facility (LLNL)Împușcăturile concentrează 192 de impulsuri de mare energie asupra unei ținte pentru a induce fuziunea. Deoarece impulsurile sunt lungi, puterea lor nu depășește un petawatt.5 ShanghaiSuperintense Ultra fast Laser FacilityPrin stoarcerea impulsurilor laser la doar câteva zeci de femtose-conde, laboratorul a obținut puteri record cu sisteme de masă.Blocarea moduluiDeși foarte pură, lumina laser este emisă pe o gamă de lungimi de undă, sau moduri, care se rezonează în cavități ca niște corzi de chitară. Aceste moduri pot fi făcute să interfereze în mod constructiv pentru o explozie intensă de zeci de femtosecunde.Amplificarea cu impulsuri chirpate (CPA)Impulsurile intense pot deteriora amplificatoarele. CPA evită acest lucru prin întinderea unui impuls laser cu rețele de difracție. După o amplificare sigură, impulsul este comprimat.Amplificarea parametrică opticăUn fascicul de pompare de mare energie poate amplifica un impuls de semințe întinse în interiorul unui cristal neliniar care poate fi făcut mare pentru a rezista la intrări intense.196019802000101990190197020102020ExawattPetawattTerawattGigawattMegawattKilowattWatt12345
Această „amplificare cu impulsuri chirpate” a devenit un element de bază al laserelor de mare putere. În 1996, aceasta a permis cercetătorilor LLNL să genereze primul puls petawatt din lume cu laserul Nova. De atunci, LLNL a avansat la energii mai mari în căutarea fuziunii cu laser. Instalația națională de aprindere (NIF) a laboratorului creează impulsuri cu o energie uriașă de 1,8 megajouli în încercarea de a încălzi mici capsule de hidrogen la temperaturi de fuziune. Cu toate acestea, aceste impulsuri sunt relativ lungi și încă generează doar aproximativ 1 PW de putere.
Pentru a ajunge la puteri mai mari, oamenii de știință au apelat la domeniul temporal: împachetarea energiei unui impuls în durate din ce în ce mai scurte. O abordare constă în amplificarea luminii în cristale de safir dopate cu titan, care produc lumină cu o mare răspândire de frecvențe. Într-o cameră laser cu oglinzi, aceste impulsuri ricoșează înainte și înapoi, iar componentele individuale de frecvență pot fi făcute să se anuleze reciproc pe cea mai mare parte a lungimii impulsului, în timp ce se întăresc reciproc într-un impuls trecător de doar câteva zeci de femtosecunde. Pompați aceste impulsuri cu câteva sute de jouli de energie și veți obține o putere de vârf de 10 PW. Acesta este modul în care SULF și alte lasere pe bază de safir pot doborî recorduri de putere cu echipamente care încap într-o cameră mare și costă doar câteva zeci de milioane de dolari, în timp ce NIF costă 3,5 miliarde de dolari și are nevoie de o clădire înaltă de 10 etaje, care acoperă suprafața a trei terenuri de fotbal american.
Creșterea puterii impulsurilor cu încă un ordin de mărime, de la 10 PW la 100 PW, va necesita mai multă vrăjitorie. O abordare este de a crește energia impulsului de la sute la mii de jouli. Dar laserele cu titan și safir se luptă să atingă aceste energii deoarece cristalele mari necesare pentru o amplificare fără daune au tendința de a se ciocni în unghiuri drepte cu fasciculul – absorbind astfel energia din impulsuri. Prin urmare, oamenii de știință de la SEL, XCELS și OPAL își pun speranțele în ceea ce se numește amplificator parametric optic. Aceștia iau un impuls întins de o rețea optică și îl trimit într-un cristal „neliniar” artificial, în care energia unui al doilea fascicul, „de pompare”, poate fi canalizată în impuls. Recomprimarea impulsului de mare energie rezultat crește puterea acestuia.
Pentru a se apropia de 100 PW, o opțiune este de a combina mai multe astfel de impulsuri – patru impulsuri de 30-PW în cazul SEL și o duzină de impulsuri de 15-PW la XCELS. Dar suprapunerea precisă a unor impulsuri de doar câteva zeci de femtosecunde va fi „foarte, foarte dificilă”, spune fizicianul de lasere de la LLNL, Constantin Haefner. Acestea ar putea fi deviate de la curs chiar și de cea mai mică vibrație sau schimbare de temperatură, susține el. OPAL, în schimb, va încerca să genereze 75 PW folosind un singur fascicul.
Mourou are în vedere o cale diferită pentru a ajunge la 100 PW: adăugarea unei a doua runde de comprimare a impulsurilor. El propune folosirea unor pelicule subțiri de plastic pentru a lărgi spectrul impulsurilor laser de 10 PW, apoi comprimarea impulsurilor la doar câteva femtosecunde pentru a le crește puterea la aproximativ 100 PW.
După ce constructorii de lasere vor aduna puterea, o altă provocare se va ivi: aducerea fasciculelor la o focalizare singulară și strânsă. Mulți oameni de știință se preocupă mai mult de intensitate – puterea pe unitatea de suprafață – decât de numărul total de petawați. Dacă se obține o focalizare mai precisă, intensitatea crește. Dacă un puls de 100-PW poate fi focalizat într-un punct de doar 3 micrometri, așa cum plănuiește Li pentru SEL, intensitatea în acea zonă minusculă va fi de un uimitor 1024 de wați pe centimetru pătrat (W/cm2) – aproximativ 25 de ordine de mărime, sau de 10 trilioane de trilioane de ori, mai intensă decât lumina solară care lovește Pământul.
Aceste intensități vor deschide posibilitatea de a sparge vidul. Conform teoriei electrodinamicii cuantice (QED), care descrie modul în care câmpurile electromagnetice interacționează cu materia, vidul nu este atât de gol pe cât ne-ar face să credem fizica clasică. Pe scări de timp extrem de scurte, perechi de electroni și pozitroni, omologii lor de antimaterie, pâlpâie în existență, născute din incertitudinea mecanicii cuantice. Din cauza atracției lor reciproce, ele se anihilează una pe cealaltă aproape imediat ce se formează.
Dar un laser foarte intens ar putea, în principiu, să separe particulele înainte de a se ciocni. La fel ca orice undă electromagnetică, un fascicul laser conține un câmp electric care biciuiește înainte și înapoi. Pe măsură ce intensitatea fasciculului crește, la fel se întâmplă și cu intensitatea câmpului său electric. La intensități de aproximativ 1024 W/cm2, câmpul ar fi suficient de puternic pentru a începe să rupă atracția reciprocă dintre unele dintre perechile de electroni și pozitroni, spune Alexander Sergeev, fost director al Institutului de Fizică Aplicată (IAP) al Academiei de Științe a Rusiei (RAS) din Nijni Novgorod și în prezent președinte al RAS. Câmpul laser ar scutura apoi particulele, determinându-le să emită unde electromagnetice – în acest caz, raze gamma. Razele gamma ar genera, la rândul lor, noi perechi electron-pozitron și așa mai departe, rezultând o avalanșă de particule și radiații care ar putea fi detectate. „Aceasta va fi o fizică complet nouă”, spune Sergeev. El adaugă că fotonii de raze gamma ar fi suficient de energici pentru a împinge nucleele atomice în stări excitate, inaugurând o nouă ramură a fizicii cunoscută sub numele de „fotonică nucleară” – utilizarea luminii intense pentru a controla procesele nucleare.
Amplificatoarele pentru OMEGA-EP de la Universitatea din Rochester, iluminate de lămpi cu bliț, ar putea acționa o instalație U.S. S. laser de mare putere.
UNIVERSITY OF ROCHESTER LABORATORY FOR LASER ENERGETICS/EUGENE KOWALUK
O modalitate de a sparge vidul ar fi să focalizăm pur și simplu un singur fascicul laser pe un punct gol din interiorul unei camere de vid. Dar ciocnirea a două fascicule face acest lucru mai ușor, deoarece acest lucru mărește impulsul necesar pentru a genera masa pentru electroni și pozitroni. În cazul SEL, fotonii s-ar ciocni indirect. Mai întâi, impulsurile ar ejecta electronii dintr-o țintă de heliu gazos. Alți fotoni din fasciculul laser ar ricoșa în electroni și ar fi transformați în raze gamma de înaltă energie. Unii dintre aceștia, la rândul lor, s-ar ciocni cu fotonii optici din fascicul.
Documentarea acestor ciocniri frontale de fotoni ar fi în sine o realizare științifică majoră. În timp ce fizica clasică insistă asupra faptului că două fascicule de lumină vor trece neatinse unul prin celălalt, unele dintre primele predicții ale QED stipulează că fotonii convergenți se împrăștie ocazional unul de celălalt. „Predicțiile datează de la începutul anilor 1930”, spune Tom Heinzl, fizician teoretician la Universitatea Plymouth din Marea Britanie. „Ar fi bine dacă le-am putea confirma experimental.”
În afară de a face laserele mai puternice, cercetătorii vor, de asemenea, să le facă să tragă mai repede. Lămpile cu bliț care pompează energia inițială în multe lasere trebuie să fie răcite timp de minute sau ore între împușcături, ceea ce îngreunează desfășurarea cercetărilor care se bazează pe o mulțime de date, cum ar fi investigarea faptului dacă, foarte ocazional, fotonii se transformă în particule din misterioasa materie întunecată despre care se crede că reprezintă o mare parte din masa universului. „Sunt șanse să aveți nevoie de o mulțime de împușcături pentru a vedea asta”, spune Manuel Hegelich, fizician la Universitatea Texas din Austin.
O rată de repetiție mai mare este, de asemenea, esențială pentru a folosi un laser de mare putere pentru a conduce fascicule de particule. Într-o schemă, un fascicul intens ar transforma o țintă metalică într-o plasmă, eliberând electroni care, la rândul lor, ar ejecta protoni din nucleele de pe suprafața metalului. Medicii ar putea folosi aceste impulsuri de protoni pentru a distruge cancerele – iar o rată de tragere mai mare ar face mai ușoară administrarea tratamentului în doze mici, individuale.
Fizicienii, la rândul lor, visează la acceleratoare de particule alimentate de impulsuri laser cu tragere rapidă. Atunci când un impuls laser intens lovește o plasmă de electroni și ioni pozitivi, acesta împinge electronii mai ușori în față, separând sarcinile și creând un câmp electric secundar care atrage ionii în spatele luminii, precum apa în urma unei bărci de viteză. Această „accelerare a câmpului de veghe al laserului” poate accelera particulele încărcate până la energii ridicate în spațiul de un milimetru sau doi, în comparație cu mulți metri în cazul acceleratoarelor convenționale. Electronii astfel accelerați ar putea fi agitați de magneți pentru a crea un așa-numit laser cu electroni liberi (FEL), care generează flash-uri excepțional de luminoase și scurte de raze X care pot ilumina fenomene chimice și biologice de scurtă durată. Un FEL alimentat cu laser ar putea fi mult mai compact și mai ieftin decât cele alimentate de acceleratoarele convenționale.
Pe termen lung, electronii accelerați prin impulsuri PW cu repetiție mare ar putea reduce costul mașinii de vis a fizicienilor de particule: un accelerator de electroni și pozitroni cu o lungime de 30 de kilometri, care ar urma să fie un succesor al Large Hadron Collider de la CERN, laboratorul european de fizică a particulelor de lângă Geneva, Elveția. Un dispozitiv bazat pe un laser de 100-PW ar putea fi de cel puțin 10 ori mai scurt și mai ieftin decât mașina de aproximativ 10 miliarde de dolari avută în vedere în prezent, spune Stuart Mangles, fizician de plasmă la Imperial College London.
Atât acceleratorul liniar, cât și FEL-urile cu tragere rapidă ar avea nevoie de mii, dacă nu de milioane, de trageri pe secundă, mult peste tehnologia actuală. O posibilitate, investigată de Mourou și colegii săi, este de a încerca să combinăm ieșirea a mii de amplificatoare de fibră cu tragere rapidă, care nu au nevoie să fie pompate cu tuburi flash. O altă opțiune este de a înlocui tuburile flash cu lasere cu diode, care sunt scumpe, dar care ar putea deveni mai ieftine odată cu producția în masă.
Pentru moment, însă, grupul lui Li din China și omologii săi din SUA și Rusia se concentrează pe putere. Efim Khazanov, fizician laserist la IAP, spune că XCELS ar putea fi funcțional până în jurul anului 2026 – presupunând că guvernul este de acord cu costul: aproximativ 12 miliarde de ruble (aproximativ 200 de milioane de dolari). OPAL, între timp, ar fi un chilipir relativ, la un preț cuprins între 50 și 100 de milioane de dolari, spune Zuegel.
Dar primul laser care va rupe vidul este probabil să fie SEL, în China. În iulie anul trecut, un comitet internațional de oameni de știință a descris designul conceptual al laserului ca fiind „lipsit de ambiguitate și convingător”, iar Li speră să obțină aprobarea guvernului pentru finanțare – aproximativ 100 de milioane de dolari – la începutul acestui an. Li spune că alte țări nu trebuie să se simtă lăsate în umbră în momentul în care cel mai puternic laser din lume va fi pornit, deoarece SEL va funcționa ca o instalație internațională pentru utilizatori. Zuegel spune că nu îi „place să fie al doilea”, dar recunoaște că grupul chinez se află într-o poziție puternică. „China are o mulțime de bani”, spune el. „Și are o mulțime de oameni foarte inteligenți. Încă recuperează decalajul în ceea ce privește multe dintre tehnologii, dar recuperează rapid.”
.