Physiker planen den Bau von Lasern mit enormer Leistung, die den offenen Raum durchbrechen können

In einem engen Labor in Shanghai, China, stellten der Physiker Ruxin Li und seine Kollegen Rekorde mit den stärksten Lichtimpulsen auf, die die Welt je gesehen hat. Das Herzstück ihres Lasers, der Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), ist ein einzelner Saphirzylinder, der mit Titan in der Größe einer großen Platte dotiert ist. Nachdem das Licht im Kristall aufleuchtet, passiert es ein System von Linsen und Spiegeln und verwandelt sich in Impulse von unglaublicher Kraft. Im Jahr 2016 erreichte die Anlage eine Leistung von 5,3 PW (Petawatt, 10 ¹⁵ W). In Shanghai geht das Licht jedoch nicht bei jedem Laserstart aus. Obwohl diese Impulse extrem stark sind, sind sie auch extrem kurz - jeder von ihnen dauert nicht länger als eine Billionstelsekunde. Jetzt aktualisieren die Forscher ihren Laser und hoffen, bis Ende dieses Jahres ihren eigenen Rekord zu brechen und einen 10-PW-Impuls zu erzeugen, der 1000-mal so hoch ist wie die Leistung aller Stromnetze der Welt.

Aber die Ambitionen der Gruppe enden nicht dort. In diesem Jahr beginnen Lee und seine Kollegen mit dem Bau eines 100-PW-Lasers namens Station of Extreme Light (SEL). Bis 2023 sollte er in der Lage sein, Impulse in einem 20 Meter unterirdischen Raum auszulösen und das Ziel extremen Temperaturen und Drücken auszusetzen, die auf der Erde nicht zu finden sind - dies wird ein Fest für alle Astrophysiker und Materialwissenschaftler sein. Der Laser wird auch einen neuen Weg zur Beschleunigung von Partikeln demonstrieren können, der in der Medizin und in der Hochenergiephysik Anwendung finden wird. Laut Lee wird es jedoch am interessantesten sein zu zeigen, wie Licht Elektronen und ihre Zwillinge aus Antimaterie, Positronen, aus dem leeren Raum ziehen kann - dieses Phänomen wird als „Vakuumbruch“ bezeichnet. Dies wird eine beeindruckende Demonstration der Austauschbarkeit von Materie und Energie sein, die die berühmte Gleichung von Albert Einstein, E = mc ² , postuliert. Obwohl Atomwaffen dafür bekannt sind, Materie in eine große Menge an Wärme und Licht umzuwandeln, ist der umgekehrte Prozess nicht so einfach zu starten. Aber Lee sagt, SEL kann damit umgehen. "Es wird sehr aufregend", sagt er. "Dies bedeutet, dass Sie etwas aus dem Nichts erschaffen können."

Ein chinesisches Wissenschaftlerteam "dient definitiv als Avantgarde" auf dem Weg zu 100 PW, sagt Philip Bucksbaum, Kernphysiker an der Stanford University. Aber sie haben genug Rivalen. In den nächsten Jahren werden 10-PW-Geräte in Rumänien und der Tschechischen Republik im Rahmen der europäischen Forschung Extreme Light Infrastructure eingesetzt , obwohl dieses Projekt kürzlich den Bau eines 100-PW-Lasers verzögert hat. Russische Physiker haben einen 180-PW-Laseraufbau für das Projekt Exawatt Center for Extreme Light Studies ( XCELS ) entwickelt [ nicht nur entwickelt - das Projekt steht bereits auf der Megaprojektliste 2010–2020 / ca. perev. ], und die Japaner machten einen Vorschlag, ein Gerät mit einer Kapazität von 30 PW zu schaffen.

Laut einer Studie, die im vergangenen Monat von den Nationalen Akademien für Wissenschaft, Technik und Medizin, einer Gruppe unter dem Vorsitz von Bucksbaum, veröffentlicht wurde, schieden US-amerikanische Wissenschaftler aus dem Wettbewerb um hohe Energie aus. Diese Studie fordert das US-Energieministerium auf, mindestens eine Hochenergieanlage zu planen. Dies gibt Forschern der Universität von Rochester in New York Hoffnung, die Pläne für den Bau eines 75-PW-Lasers, der Optical Parametric Amplifier Line (OPAL), entwickeln. Sie kann die Laser von OMEGA-EP , einem der leistungsstärksten Laser in den USA, nutzen. "Der Bericht der Akademien ermutigt zum Handeln", sagte Jonathan Zugel, der das OPAL-Projekt leitet.

In den 1960er Jahren erfundene Laser verwenden ein externes Pumpensystem wie eine Blitzlampe, um Elektronen in den Atomen des dem Laser zugrunde liegenden Materials anzuregen - normalerweise in einem Gas, Kristall oder Halbleiter. Wenn jedes dieser Elektronen in einen nicht angeregten Zustand zurückkehrt, emittiert es ein Photon, das wiederum ein anderes Elektron dazu anregt, ein Photon zu emittieren, und so weiter. Im Gegensatz zu divergierenden Lichtstrahlen erzeugen Photonen in einem Laser einen dicht gepackten Strom mit einer bestimmten Wellenlänge.

Da Leistung Energie pro Zeiteinheit ist, gibt es zwei Möglichkeiten, sie zu maximieren: Erhöhen Sie die Laserenergie oder verringern Sie die Pulsdauer. In den 1970er Jahren konzentrierten sich Forscher des Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien auf die erste Option, bei der die Laserenergie durch Umlenken von Strahlen durch zusätzliche erzeugende Kristalle aus Neodym-dotiertem Glas erhöht wurde. Ein Strahl über einer bestimmten Intensität kann jedoch Verstärker beschädigen. Um dies zu vermeiden, musste das Labor seine Größe auf einige zehn Zentimeter Durchmesser erhöhen. 1983 gelang Gerard Mourou, der jetzt an der Polytechnischen Schule in Paris arbeitet, und seinen Kollegen der Durchbruch. Er erkannte, dass kurze Laserpulse mithilfe eines Beugungsgitters, das den Puls entsprechend seiner Grundfarben verteilt, zeitlich gedehnt werden können, wodurch sie weniger intensiv werden. Nachdem das Licht auf höhere Energien verstärkt wurde, kann es mit einem zweiten Beugungsgitter erneut komprimiert werden. Das Ergebnis ist ein stärkerer Impuls, der den Verstärker nicht beschädigt.



Die Verstärkung von gechirpten Impulsen wurde zur Basis von Hochenergielasern. 1996 konnten LLNL-Forscher mit einem Nova-Laser den weltweit ersten Petawatt-Impuls erhalten. Seitdem hat LLNL die Laserenergie erhöht, um eine Kernfusion zu erreichen. Der nationale Zündkomplex erzeugt Impulse mit unglaublichen 1,8 MJ Energie, um winzige Wasserstoffkapseln auf Synthesetemperaturen zu erhitzen. Diese Impulse sind jedoch relativ lang und erreichen immer noch eine Leistung von nicht mehr als 1 PW.

Um die Leistung zu steigern, wandten sich die Wissenschaftler dem Zeitfeld der Forschung zu: Sie versuchen, die Energie des Pulses in immer kürzeren Zeiträumen zu packen. Ein Ansatz besteht darin, das Licht in Saphirkristallen durch Zugabe von Titan zu verstärken, wodurch Licht mit einer breiten Frequenzverteilung erzeugt wird. In der Spiegelreflexkamera springen diese reflektierten Impulse hier und da, und dies kann so erfolgen, dass sich die einzelnen Frequenzkomponenten für den größten Teil der Impulslänge gegenseitig zerstören, während sie sich auf einem kleinen Segment des Impulses mit einer Länge von nur einigen zehn Femtosekunden gegenseitig verstärken. Wenn Sie solche Impulse mit einer Energie von mehreren hundert Joule pumpen, können Sie eine Spitzenleistung von 10 PW erhalten. Auf diese Weise können SULF und andere Laser auf Saphirbasis mit Geräten, die sich in einem großen Raum im Wert von nur mehreren zehn Millionen Dollar befinden, Rekorde in Bezug auf die Leistung brechen - trotz der Tatsache, dass der National Ignition Complex 3,5 Milliarden US-Dollar kostete und ein zehnstöckiges Gebäude mit einer Fläche von drei Fußballplätzen besetzte Felder.

Das Erhöhen der Impulsleistung um eine Größenordnung von 10 PW auf 100 PW erfordert noch mehr Tricks. Ein Ansatz besteht darin, die Impulsenergie von Hunderten auf Tausende von Joule zu erhöhen. Laser auf Saphirbasis mit Titan erreichen solche Energien jedoch kaum, da große Kristalle, die nicht unter hohen Leistungen leiden, dazu neigen, Licht im rechten Winkel zum Strahl zu emittieren und so Energie zu verschwenden. Daher haben Wissenschaftler aus den Projekten SEL, XCELS und OPAL ihre Hoffnungen auf optische parametrische Verstärker gesetzt. Sie nehmen einen durch ein Beugungsgitter gestreckten Impuls und senden ihn an einen künstlichen nichtlinearen Kristall, in dem die Energie eines zweiten Pumpstrahls an einen Impuls gesendet werden kann. Die erneute Komprimierung des resultierenden energiereichen Impulses erhöht seine Energie.

Eine der Möglichkeiten, sich der 100-PW-Marke zu nähern, besteht darin, mehrere Impulse zu kombinieren - vier Impulse von jeweils 30 PW bei SEL und ein Dutzend Impulse von 15 PW bei XCELS. Das Anlegen von Impulsen mit einer Dauer von nur wenigen fs wird jedoch "sehr, sehr schwierig" sein, sagt LNLL-Laserspezialist Konstantin Häfner. Sogar eine leichte Vibration oder eine Änderung der Temperatur können sie zurückweisen, sagt er. OPAL versucht, mit einem Strahl einen 75-PW-Impuls zu erzeugen.

Muro sieht einen anderen Weg, um eine Leistung von 100 PW zu erreichen: Hinzufügen einer zweiten Stufe der Impulskomprimierung. Er schlägt vor, dünne Kunststofffolien zu verwenden, um den Impulsbereich mit einer Leistung von 10 PW zu erweitern, und diese Impulse dann auf einige Femtosekunden zu komprimieren, um die Leistung auf 100 PW stark zu erhöhen.

Wenn die Schöpfer der Laser ihr Leistungsziel erreichen, stehen sie vor einer weiteren Herausforderung: einer sehr präzisen Strahlfokussierung. Viele Wissenschaftler achten nicht auf die Gesamtleistung, sondern auf die Intensität - Leistung pro Flächeneinheit. Wenn Sie einen feineren Fokus erzielen, erhöht sich die Intensität. Wenn der 100-PW-Impuls auf einen Bereich von 3 μm Größe fokussiert werden kann, wie Lee dies bei SEL plant, wird die Strahlintensität in diesem Bereich unglaubliche 10 ²⁴ pro cm ^{2 erreichen} - das sind 25 Größenordnungen oder 10 Billionen Billionen Mal mehr als die von Sonnenlicht erreicht die Erde.

Solche Intensitäten eröffnen den Weg zum Aufbrechen des Vakuums. Nach der Theorie der Quantenelektrodynamik , die die Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit Materie beschreibt, ist das Vakuum nicht so leer, wie es die klassische Physik behauptet. Auf extrem kleinen Zeitskalen erscheinen Elektronen- und Positronenpaare aufgrund der der Quantenmechanik inhärenten Unsicherheit aus dem Nichts. Aufgrund ihrer gegenseitigen Anziehungskraft vernichten sie sich fast sofort miteinander.

Ein sehr intensiver Laser könnte diese Partikel jedoch im Prinzip trennen, bevor sie kollidieren. Wie jede elektromagnetische Welle enthält ein Laserstrahl ein oszillierendes elektrisches Feld. Mit zunehmender Intensität nimmt auch die Stärke des elektrischen Feldes zu. Laut Alexander Mikhailovich Sergeyev , ehemaliger Direktor des Instituts für Angewandte Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften in Nischni Nowgorod, ^{wird das} Feld bei einer Intensität in der Größenordnung von 10 ²⁴ W / cm ² stark genug sein, um die gegenseitige Anziehungskraft einiger Elektronen-Positronen-Paare aufzulösen RAS. Das Laserfeld schüttelt diese Partikel und emittiert elektromagnetische Wellen - in diesem Fall Gammastrahlen. Diese Strahlen erzeugen neue Elektron-Positron-Paare usw., was zu einer Kaskade von Partikeln und Strahlung führt, die detektiert werden können. "Es wird eine völlig neue Physik sein", sagt Sergejew. Er fügt hinzu, dass die Energie von Gammaphotonen ausreichen wird, um Atome in einen angeregten Zustand zu bringen, und somit ein neuer Zweig der Physik entstehen wird, die "Kernphotonik" - die Verwendung von intensivem Licht zur Steuerung von Kernprozessen.


OMEGA-EP-Verstärker an der Universität von Rochester, die von Taschenlampen beleuchtet werden, könnten einen amerikanischen Hochleistungslaser antreiben

Eine Möglichkeit, das Vakuum zu unterbrechen, besteht darin, einen einzelnen Laserstrahl auf einen leeren Bereich in der Vakuumkammer zu fokussieren. Es wird jedoch einfacher sein, zwei Strahlen zu kollidieren, da dies den Wert des Impulses erhöht, der für die Erzeugung von Masse für Elektronen und Positronen erforderlich ist. In SEL kollidieren Photonen nicht direkt. Erstens schlagen Impulse Elektronen aus Helium. Dann werden andere Photonen des Laserstrahls von Elektronen reflektiert und in hochenergetische Gammastrahlen umgewandelt. Einige von ihnen kollidieren mit den Photonen des Strahls.

Nur solche Photonenkollisionen zu reparieren, wird eine ernsthafte wissenschaftliche Errungenschaft sein. Die klassische Physik besteht darauf, dass zwei Lichtstrahlen ohne Widerstand durcheinander hindurchtreten sollten, aber einige der frühen Vorhersagen der Quantenelektrodynamik legen nahe, dass konvergierende Photonen manchmal übereinander streuen können. "Solche Vorhersagen wurden bereits in den frühen 1930er Jahren gemacht", sagt Tom Heinzl, theoretischer Physiker an der Plymouth University in Großbritannien. "Es wäre schön, sie experimentell bestätigen zu können."

Die Forscher wollen nicht nur leistungsstärkere Laser herstellen, sondern auch schneller schießen. Pulslampen, die Primärenergie in Laser pumpen, müssen zwischen den Aufnahmen von einigen Minuten auf mehrere Stunden gekühlt werden. Dies erschwert Studien, die große Datenmengen erfordern - beispielsweise die Untersuchung von Fällen, in denen Photonen zu mysteriösen Teilchen dunkler Materie werden, die den größten Teil der Masse des Universums ausmachen . "Um dies zu sehen, müssen Sie höchstwahrscheinlich viele Aufnahmen machen", sagt Manuel Hegelich, Physiker an der University of Texas in Austin.

Eine höhere Pulswiederholungsrate ist ein entscheidender Punkt bei der Verwendung von Hochenergielasern zur Steuerung von Teilchenstrahlen. In einem Schema muss ein intensiver Strahl ein Metalltarget in ein Plasma verwandeln und Elektronen freisetzen, die wiederum Protonen aus Kernen von der Metalloberfläche stoßen. Ärzte könnten solche Protonen verwenden, um Krebstumoren zu zerstören - und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit würde es einfacher machen, Eingriffe in kleinen und individuellen Dosen durchzuführen.

Physiker träumen von Teilchenbeschleunigern, die nach dem Prinzip schneller Laserpulse arbeiten. Wenn ein intensiver Laserpuls mit einem Plasma aus Elektronen und positiven Ionen kollidiert, drückt er die leichteren Elektronen nach vorne, trennt die Ladungen und erzeugt ein sekundäres elektrisches Feld, das die Ionen nach dem Licht zieht, wie Wasser in einem Bootsspur. Eine solche "Laser-Nachlaufwelle" kann geladene Teilchen in einem von einigen Millimetern begrenzten Raum auf hohe Energien beschleunigen - im Vergleich zu herkömmlichen Multimeter-Beschleunigern. So können beschleunigte Elektronen mithilfe von Magneten Schwingungen übertragen und einen Freie-Elektronen-Laser (FEL) erzeugen, der extrem helle und kurze Röntgenblitze erzeugt, die kurzfristige chemische und biologische Phänomene beleuchten können. FEL auf einem Laser könnte viel kompakter und billiger werden als solche, die auf der Basis herkömmlicher Beschleuniger arbeiten.

Auf lange Sicht können Elektronen, die durch schnelle Wiederholung von Laserpulsen mit Leistungen in der Größenordnung von PW beschleunigt werden, die Kosten der Maschine, von der Physiker träumen, drastisch senken: einen 30 Kilometer langen Elektron-Positron-Kollider, der der Nachfolger des Large Hadron Collider am CERN werden soll. Ein laserbasiertes 100-pW-Gerät kann nicht weniger als zehnmal kürzer und billiger sein als die derzeit geplante 10-Milliarden-Dollar-Maschine, sagt Stuart Mangles, Plasmaspezialist am Imperial College London.

Für den Linearcollider und FEL werden Tausende oder sogar Millionen von Aufnahmen pro Sekunde benötigt, was weit über die moderne Technologie hinausgeht. Eine der Möglichkeiten, die Muro mit Kollegen untersucht, besteht darin, den Ausgang von Tausenden von schnell zündenden Faserverstärkern zu kombinieren, die nicht mit Blitzlampen gepumpt werden müssen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Blitzlampen durch Diodenlaser zu ersetzen, die zwar teuer sind, in der Massenproduktion jedoch billiger werden können.

Bisher konzentrieren sich die Lee-Gruppe in China und ihre Rivalen in Russland und den Vereinigten Staaten auf Machtfragen. Yefim Khazanov, Laserspezialist bei IAP, sagt, dass XCELS bis 2026 bereit sein wird - wenn die Regierung sich bereit erklärt, Geld dafür bereitzustellen, ungefähr 12 Milliarden Rubel (ungefähr 200 Millionen US-Dollar). OPAL scheint eine relativ profitable Option zu sein, deren Preis laut Zugel zwischen 50 und 100 Millionen US-Dollar liegt.

Aber der erste Laser, der das Vakuum bricht, ist wahrscheinlich der chinesische SEL. Im Juli letzten Jahres beschrieb das Internationale Wissenschaftskomitee das Konzeptdesign des Lasers als „eindeutig und überzeugend“, und Lee hofft, in diesem Jahr die Genehmigung der Regierung für Mittel im Bereich von 100 Millionen US-Dollar zu erhalten. Lee sagt, andere Länder sollten nicht das Gefühl haben, im Schatten zu bleiben, wenn der leistungsstärkste Laser der Welt eingeschaltet wird - da SEL als internationales Projekt arbeiten wird. Zugel sagt, er mag es nicht, "am Rande zu stehen", gibt aber zu, dass die Positionen der chinesischen Gruppe stark sind. "China hat viel Geld", sagt er, "und viele sehr kluge Leute." Sie wachsen immer noch zu vielen Technologien heran, aber sie tun es schnell. “