En laser i Shanghai i Kina har slagit effektrekord, men passar ändå på ett bord.
KAN ZHAN
Inom ett trångt laboratorium i Shanghai i Kina slår fysikern Ruxin Li och kollegor rekord med de kraftigaste ljuspulserna som världen någonsin sett. I hjärtat av deras laser, som kallas Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), finns en enda cylinder av titandopad safir som är ungefär lika bred som en frisbee. Efter att ha tänt ljuset i kristallen och skickat det genom ett system av linser och speglar, destillerar SULF det till pulser av häpnadsväckande kraft. Under 2016 uppnådde den en aldrig tidigare skådad effekt på 5,3 miljoner miljarder watt, eller petawatt (PW). Ljusen i Shanghai dämpas dock inte varje gång lasern avfyras. Även om pulserna är utomordentligt kraftfulla är de också oändligt korta, de varar mindre än en trilliondel av en sekund. Forskarna uppgraderar nu sin laser och hoppas kunna slå sitt eget rekord i slutet av året med ett skott på 10 PW, vilket skulle innehålla mer än 1 000 gånger mer kraft än alla världens elnät tillsammans.
Gruppens ambitioner tar inte slut där. I år har Li och kollegor för avsikt att börja bygga en 100-PW-laser som kallas Station of Extreme Light (SEL). År 2023 skulle den kunna sända pulser in i en kammare 20 meter under jorden och utsätta måltavlor för extrema temperaturer och tryck som normalt inte finns på jorden, vilket skulle vara en välsignelse för både astrofysiker och materialforskare. Lasern skulle också kunna driva demonstrationer av ett nytt sätt att accelerera partiklar för användning inom medicin och högenergifysik. Men det mest lockande, säger Li, skulle vara att visa att ljuset kan slita ut elektroner och deras antimateriella motsvarigheter, positroner, ur det tomma utrymmet – ett fenomen som kallas att ”bryta vakuumet”. Det skulle vara en slående illustration av att materia och energi är utbytbara, vilket Albert Einsteins berömda E=mc2-ekvation säger. Även om kärnvapen vittnar om att materia kan omvandlas till enorma mängder värme och ljus, är det inte så lätt att göra det omvända. Men Li säger att SEL klarar av uppgiften. ”Det skulle vara mycket spännande”, säger han. ”Det skulle innebära att man kan generera något från ingenting.”
Den kinesiska gruppen ”leder definitivt vägen” till 100 PW, säger Philip Bucksbaum, atomfysiker vid Stanford University i Palo Alto, Kalifornien. Men det finns gott om konkurrens. Under de närmaste åren bör 10-PW-enheter kopplas på i Rumänien och Tjeckien som en del av Europas Extreme Light Infrastructure, även om projektet nyligen sköt upp sitt mål att bygga en enhet i 100-PW-skala. Fysiker i Ryssland har utarbetat en design för en 180-PW-laser som kallas Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS), medan japanska forskare har lagt fram förslag på en 30-PW-enhet.
De amerikanska vetenskapsmännen saknas i stort sett i kampen och har hamnat på efterkälken i kapplöpningen mot höga effekter, enligt en studie som offentliggjordes förra månaden av en grupp från National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, som leddes av Bucksbaum. I studien uppmanas energidepartementet att planera för minst en anläggning för högeffektiva lasrar, vilket ger hopp åt forskare vid University of Rochester i New York, som håller på att utveckla planer för en 75-PW-laser, Optical Parametric Amplifier Line (OPAL). Den skulle dra nytta av strållinjerna vid OMEGA-EP, en av landets mest kraftfulla lasrar. ”Rapporten är uppmuntrande”, säger Jonathan Zuegel, som leder OPAL.
Lasrar, som uppfanns 1960, använder en extern ”pump”, t.ex. en blixtlampa, för att excitera elektroner i atomerna i ett lasermaterial – vanligen en gas, kristall eller halvledare. När en av dessa exciterade elektroner faller tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd avger den en foton, som i sin tur stimulerar en annan elektron att avge en foton, och så vidare. Till skillnad från de spridda strålarna i en ficklampa kommer fotonerna i en laser ut i en tätt packad ström vid specifika våglängder.
Då effekt är lika med energi dividerat med tid finns det i princip två sätt att maximera den: Antingen ökar du laserns energi eller så förkortar du pulserna. På 1970-talet fokuserade forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Kalifornien på det förstnämnda och ökade laserenergin genom att leda strålarna genom ytterligare laserkristaller av glas dopat med neodym. Strålar över en viss intensitet kan dock skada förstärkarna. För att undvika detta var LLNL tvunget att göra förstärkarna allt större, många tiotals centimeter i diameter. Men 1983 gjorde Gerard Mourou, nu vid École Polytechnique nära Paris, och hans kolleger ett genombrott. Han insåg att en kort laserpuls kunde sträckas ut i tiden – och därmed bli mindre intensiv – med hjälp av ett diffraktionsgaller som sprider pulsen i dess olika färger. Efter att på ett säkert sätt ha förstärkts till högre energier kunde ljuset komprimeras på nytt med ett andra galler. Slutresultatet: en kraftigare puls och en intakt förstärkare.
LaserljusMirrorPartialmirrorLaserkristallDiffraktionsgallerNonarcristallPumpSeedAmplified pulsePower upForskare vid Lawrence LivermoreNational Laboratory (LLNL) i Livermore, Kalifornien, satte tidigt effektrekord genom att am-plifiera energier i mammutmaskiner.Men en laser i rumsstorlek i Shanghai, Kina, har nu rekordet efter att ha pressat blygsamma energier till extremt korta utbrott. Tre viktiga tekniker har drivit lasrar till höga effekter.1 Första lasernTheodore Maiman fick fram laserljus från en 2 centimeter lång rubinkristall som pumpades av fotografiska blixtlampor.2 Janus (LLNL)Lasern med två strålar förstärkte pulser på 100 pikosekunder till 100 joule energi för att skapa det första terawattsskottet.3 Nova (LLNL)Pulser från Nova-lasern förkortades med hjälp av CPA för att åstadkomma den första petawatten.4 National Ignition Facility (LLNL)Skott fokuserar 192 högenergipulser på ett mål för att framkalla fusion. Eftersom pulserna är långa överstiger deras effekt inte en petawatt.5 ShanghaiSuperintense Ultra fast Laser Facility Genom att pressa laserpulserna till bara tiotals femtosekunder uppnådde laboratoriet en rekordstor effekt med bordssystem.Mode lockingTyvärr är laserljuset mycket rent, men det sänds ut över ett antal våglängder, eller modes, som återfinns i kaviteter som gitarrsträngar. Dessa lägen kan fås att interferera på ett konstruktivt sätt för att åstadkomma en intensiv impuls som är tiotals femtosekunder lång.Chirped-pulse-pamplification (CPA)Intensiva pulser kan skada förstärkare. CPA undviker detta genom att sträcka ut en laserpuls med diffraktionsgitter. Efter säker förstärkning komprimeras pulsen.Optisk parametrisk förstärkningEn högenergipumpstråle kan förstärka en utsträckt fröimpuls i en icke-linjär kristall som kan göras stor för att tåla intensiva inmatningar.1960198020001990197020102020ExawattPetawattTerawattGigawattMegawattKilowattWatt12345
Denna ”chirped-pulse-förstärkning” har blivit ett viktigt inslag i högeffektlasrar. År 1996 gjorde den det möjligt för LLNL-forskare att generera världens första petawattpuls med Nova-lasern. Sedan dess har LLNL strävat efter högre energier i jakten på laserdriven fusion. Laboratoriets National Ignition Facility (NIF) skapar pulser med en enorm energi på 1,8 megajoule i ett försök att värma upp små vätekapslar till fusionstemperaturer. Dessa pulser är dock jämförelsevis långa och genererar fortfarande bara cirka 1 PW effekt.
För att nå högre effekt har forskarna vänt sig till tidsdomänen: att packa energin i en puls i allt kortare tidsperioder. En metod är att förstärka ljuset i titandopade safirkristaller, som producerar ljus med en stor frekvensspridning. I en speglad laserkammare studsar dessa pulser fram och tillbaka, och de enskilda frekvenskomponenterna kan fås att upphäva varandra under större delen av pulslängden, samtidigt som de förstärker varandra i en flyktig puls som bara är några tiotals femtosekunder lång. Pumpa dessa pulser med några hundra joule energi och du får 10 PW toppeffekt. Det är så SULF och andra safirbaserade lasrar kan slå effektrekord med utrustning som ryms i ett stort rum och bara kostar tiotals miljoner dollar, medan NIF kostar 3,5 miljarder dollar och behöver en tio våningar hög byggnad som täcker ytan av tre amerikanska fotbollsplaner.
För att öka pulseffekten med ytterligare en storleksordning, från 10 PW till 100 PW, krävs mer trolleri. En metod är att öka pulsenergin från hundratals till tusentals joule. Men titansafirlasrar har svårt att uppnå dessa energier eftersom de stora kristaller som behövs för skadefri förstärkning tenderar att lasera i rät vinkel mot strålen och därmed ta energi från pulserna. Forskare vid SEL, XCELS och OPAL sätter därför sitt hopp till vad som kallas optiska parametriska förstärkare. Dessa tar en puls som sträcks ut av ett optiskt galler och skickar den in i en konstgjord ”icke-linjär” kristall, där energin från en andra ”pump”-stråle kan kanaliseras in i pulsen. Genom att återkomprimera den resulterande högenergipulsen ökar dess effekt.
För att närma sig 100 PW är ett alternativ att kombinera flera sådana pulser – fyra 30-PW-pulser i SEL:s fall och ett dussin 15-PW-pulser i XCELS:en. Men exakt överlappande pulser som bara är tiotals femtosekunder långa kommer att vara ”mycket, mycket svårt”, säger Constantin Haefner, laserfysiker vid LLNL. De skulle kunna kastas ur kurs av minsta vibration eller temperaturförändring, menar han. OPAL kommer däremot att försöka generera 75 PW med hjälp av en enda stråle.
Mourou tänker sig en annan väg till 100 PW: att lägga till en andra runda av pulskompression. Han föreslår att man använder tunna plastfilmer för att bredda spektrumet av 10-PW-laserpulser och sedan komprimerar pulserna till så lite som ett par femtosekunder för att öka deras effekt till cirka 100 PW.
När laserbyggarna väl har samlat ihop kraften kommer en annan utmaning att dyka upp: att föra strålarna till ett unikt och noggrant fokus. Många forskare bryr sig mer om intensiteten – kraften per areaenhet – än om det totala antalet petawatt. Om man uppnår en skarpare fokusering ökar intensiteten. Om en 100-PW-puls kan fokuseras till en punkt med en diameter på bara 3 mikrometer, vilket Li planerar för SEL, kommer intensiteten i det lilla området att vara häpnadsväckande 1024 watt per kvadratcentimeter (W/cm2) – ungefär 25 storleksordningar, eller 10 biljoner biljoner gånger, mer intensivt än det solljus som träffar jorden.
Den här typen av intensitet kommer att göra det möjligt att bryta vakuumet. Enligt teorin om kvantelektrodynamik (QED), som beskriver hur elektromagnetiska fält interagerar med materia, är vakuumet inte så tomt som den klassiska fysiken vill få oss att tro. På extremt korta tidsskalor flimrar par av elektroner och positroner, deras motsvarigheter till antimateria, till liv, som föds av kvantmekanisk osäkerhet. På grund av deras ömsesidiga attraktion förstör de varandra nästan så fort de bildas.
Men en mycket intensiv laser skulle i princip kunna separera partiklarna innan de kolliderar. Liksom alla elektromagnetiska vågor innehåller en laserstråle ett elektriskt fält som piskar fram och tillbaka. När strålens intensitet ökar, ökar också styrkan i dess elektriska fält. Vid intensiteter runt 1024 W/cm2 skulle fältet vara tillräckligt starkt för att börja bryta den ömsesidiga attraktionen mellan några av elektron-positronparen, säger Alexander Sergejev, tidigare direktör för Ryska vetenskapsakademins (RAS) institut för tillämpad fysik (IAP) i Nizjnij Novgorod och numera ordförande för RAS. Laserfältet skulle sedan skaka partiklarna och få dem att avge elektromagnetiska vågor – i det här fallet gammastrålar. Gammastrålarna skulle i sin tur generera nya elektron-positronpar och så vidare, vilket skulle resultera i en lavin av partiklar och strålning som skulle kunna upptäckas. ”Det här kommer att bli en helt ny fysik”, säger Sergeev. Han tillägger att gammastrålarnas fotoner skulle vara tillräckligt energirika för att driva atomkärnor in i exciterade tillstånd, vilket skulle inleda en ny gren av fysiken som kallas ”nukleär fotonik” – användningen av intensivt ljus för att styra kärntekniska processer.
Förstärkare för OMEGA-EP vid Rochesteruniversitetet, som lyses upp av blixtlampor, skulle kunna driva en U.
UNIVERSITY OF ROCHESTER LABORATORY FOR LASER ENERGETICS/EUGENE KOWALUK
Ett sätt att bryta vakuumet skulle vara att helt enkelt fokusera en enskild laserstråle på en tom punkt i en vakuumkammare. Men att låta två strålar kollidera gör det lättare, eftersom detta ökar det momentum som behövs för att generera massan för elektroner och positroner. SEL skulle kollidera fotoner indirekt. Först skulle pulserna skjuta ut elektroner från ett mål av heliumgas. Andra fotoner från laserstrålen skulle ricochetera på elektronerna och omvandlas till högenergig gammastrålning. En del av dessa skulle i sin tur kollidera med optiska fotoner från laserstrålen.
Att dokumentera dessa frontala fotonkollisioner skulle i sig vara en stor vetenskaplig bedrift. Medan den klassiska fysiken insisterar på att två ljusstrålar kommer att passera rakt igenom varandra utan att bli berörda, stipulerar några av de tidigaste förutsägelserna i QED att konvergerande fotoner ibland sprids från varandra. ”Förutsägelserna går tillbaka till början av 1930-talet”, säger Tom Heinzl, teoretisk fysiker vid Plymouth University i Storbritannien. ”Det skulle vara bra om vi kunde bekräfta dem experimentellt.”
Förutom att göra lasrarna kraftfullare vill forskarna också få dem att skjuta snabbare. De blixtlampor som pumpar in den initiala energin i många lasrar måste kylas i minuter eller timmar mellan skotten, vilket gör det svårt att genomföra forskning som är beroende av mängder av data, till exempel att undersöka om fotoner, mycket sällan, förvandlas till partiklar av den mystiska mörka materia som tros utgöra en stor del av universums massa. ”Det är troligt att man skulle behöva många skott för att se det”, säger Manuel Hegelich, fysiker vid University of Texas i Austin.
En högre repetitionsfrekvens är också nyckeln till att använda en högeffektslaser för att driva partikelstrålar. I ett system skulle en intensiv stråle förvandla ett metallmål till ett plasma och frigöra elektroner som i sin tur skulle kasta ut protoner från kärnor på metallens yta. Läkare skulle kunna använda dessa protonpulser för att förstöra cancer – och en högre avfyrningshastighet skulle göra det lättare att administrera behandlingen i små, individuella doser.
Fysikerna å sin sida drömmer om partikelacceleratorer som drivs av snabba laserpulser. När en intensiv laserpuls träffar ett plasma av elektroner och positiva joner, driver den de lättare elektronerna framåt, separerar laddningarna och skapar ett sekundärt elektriskt fält som drar med sig jonerna bakom ljuset, som vatten i kölvattnet på en racerbåt. Denna ”laserwakefield-acceleration” kan accelerera laddade partiklar till höga energier inom loppet av en eller två millimeter, jämfört med många meter för konventionella acceleratorer. Elektroner som accelererats på detta sätt skulle kunna vridas av magneter för att skapa en så kallad frielektronlaser (FEL), som genererar exceptionellt ljusa och korta röntgenstrålar som kan belysa kortlivade kemiska och biologiska fenomen. En laserdriven FEL skulle kunna vara mycket mer kompakt och billigare än de som drivs av konventionella acceleratorer.
På lång sikt skulle elektroner som accelereras av PW-pulser med hög upprepning kunna sänka kostnaden för partikelfysikernas drömmaskin: en 30 kilometer lång elektron-positronkolliderare som skulle bli en efterföljare till Large Hadron Collider vid CERN, det europeiska partikelfysiklaboratoriet nära Genève i Schweiz. En anordning baserad på en 100-PW-laser skulle kunna vara minst tio gånger kortare och billigare än den maskin på cirka 10 miljarder dollar som nu planeras, säger Stuart Mangles, plasmafysiker vid Imperial College London.
Både den linjära kollidatorn och de snabba FEL:erna skulle kräva tusentals, om inte miljontals, skott per sekund, vilket är betydligt mer än vad som är möjligt med dagens teknik. En möjlighet, som undersöks av Mourou och kollegor, är att försöka kombinera produktionen från tusentals snabbskjutande fiberförstärkare, som inte behöver pumpas med blixtrör. Ett annat alternativ är att ersätta blixtrören med diodlasrar, som är dyra, men som skulle kunna bli billigare med massproduktion.
För tillfället koncentrerar sig dock Li’s grupp i Kina och dess amerikanska och ryska motsvarigheter på effekt. Efim Khazanov, laserfysiker vid IAP, säger att XCELS kan vara igång omkring 2026 – förutsatt att regeringen godkänner kostnaden: cirka 12 miljarder rubel (cirka 200 miljoner dollar). OPAL skulle däremot vara ett relativt billigt pris på mellan 50 och 100 miljoner dollar, säger Zuegel.
Men den första lasern som kan öppna vakuumet kommer troligen att vara SEL i Kina. En internationell kommitté av forskare beskrev i juli förra året laserns konceptuella utformning som ”otvetydig och övertygande”, och Li hoppas få regeringens godkännande för finansiering – cirka 100 miljoner dollar – tidigt i år. Li säger att andra länder inte behöver känna sig utanför när världens kraftfullaste laser tas i bruk, eftersom SEL kommer att fungera som en internationell användaranläggning. Zuegel säger att han inte ”tycker om att vara andra”, men erkänner att den kinesiska gruppen har en stark ställning. ”Kina har gott om pengar”, säger han. ”Och de har många riktigt smarta människor. Landet håller fortfarande på att komma ikapp när det gäller mycket av tekniken, men det gör det snabbt.”