Dentro de un estrecho laboratorio en Shanghai, China, el físico Ruxin Li y sus colegas establecieron récords con los pulsos de luz más poderosos que el mundo haya visto. En el corazón de su láser llamado Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF) hay un único cilindro de zafiro dopado con titanio del tamaño de una placa grande. Después de que la luz se enciende en el cristal, pasa a través de un sistema de lentes y espejos, y se convierte en impulsos de increíble poder. En 2016, la instalación alcanzó una capacidad de 5,3 PW (petavatios, 10
15 W). Sin embargo, en Shanghai, la luz no se apaga en cada arranque con láser. Aunque estos impulsos son extremadamente poderosos, también son extremadamente cortos: cada uno de ellos no dura más de una billonésima de segundo. Ahora los investigadores están actualizando su láser y esperan batir su propio récord a fines de este año, creando un pulso de 10 PW, que es 1000 veces la potencia de todas las redes eléctricas del mundo.
Pero las ambiciones del grupo no terminan ahí. Este año, Lee y sus colegas están a punto de comenzar a construir un láser de 100 PW llamado Station of Extreme Light (SEL). Para 2023, debería ser capaz de disparar impulsos en una habitación a 20 metros bajo tierra, exponiendo el objetivo a temperaturas y presiones extremas que no se encuentran en la Tierra; esta será una celebración para todos los astrofísicos y científicos de materiales. Además, el láser podrá demostrar una nueva forma de acelerar las partículas, que encontrará aplicación en medicina y física de alta energía. Pero lo más interesante, según Lee, será mostrar cómo la luz puede extraer electrones y sus gemelos de la antimateria, los positrones, del espacio vacío; este fenómeno se conoce como la "ruptura del vacío". Esta será una demostración sorprendente de la intercambiabilidad de la materia y la energía, que postula la famosa ecuación de Albert Einstein, E = mc
2 . Aunque las armas nucleares son conocidas por transformar la materia en una gran cantidad de calor y luz, el proceso inverso no es tan fácil de lanzar. Pero Lee dice que SEL puede manejarlo. "Será muy emocionante", dice. "Esto significará que puedes crear algo de la nada".
Un equipo chino de científicos "definitivamente sirve como la vanguardia" en el camino hacia 100 PW, dice Philip Bucksbaum, físico nuclear de la Universidad de Stanford. Pero tienen suficientes rivales. En los próximos años, los dispositivos de 10 PW estarán operativos en Rumania y la República Checa como parte de la investigación europea
Extreme Light Infrastructure , aunque este proyecto ha retrasado recientemente la construcción de un láser de 100 PW. Los físicos rusos han
desarrollado una configuración láser de 180-PW para el proyecto del Centro Exawatt para Estudios de Luz Extrema (
XCELS ) [
no solo desarrollado, el proyecto ya está en la lista de megaproyectos 2010-2020 / aprox. perev. ], y los japoneses hicieron una propuesta para crear un dispositivo con una capacidad de 30 PW.
Los científicos estadounidenses abandonaron la competencia de alta energía, según un estudio publicado el mes pasado por las Academias Nacionales de Ciencia, Ingeniería y Medicina, un grupo presidido por Bucksbaum. Este estudio solicita al Departamento de Energía de EE. UU. Que planifique al menos una planta de alta energía, y esto da esperanza a los investigadores de la Universidad de Rochester en Nueva York que están desarrollando planes para construir un láser de 75 PW, la Línea de amplificador paramétrico óptico (OPAL). Podrá aprovechar los láseres de
OMEGA-EP , uno de los láseres más potentes de los Estados Unidos. "El informe de las academias fomenta la acción", dijo Jonathan Zugel, quien lidera el proyecto OPAL.
Los láseres, inventados en la década de 1960, usan un sistema de bomba externo, como una lámpara de flash, para excitar los electrones en los átomos del material subyacente al láser, generalmente un gas, cristal o semiconductor. Cuando cada uno de estos electrones regresa a un estado no excitado, emite un fotón, que a su vez estimula a otro electrón para que emita un fotón, y así sucesivamente. A diferencia de los rayos de luz divergentes, los fotones en un láser producen una corriente densamente compacta con una longitud de onda específica.
Dado que la potencia es energía por unidad de tiempo, hay dos formas de maximizarla: aumentar la energía del láser o disminuir la duración del pulso. En la década de 1970, los investigadores del Laboratorio Nacional de Livermore (LLNL) en California se concentraron en la primera opción, aumentando la energía del láser al redirigir los rayos a través de cristales generadores adicionales compuestos de vidrio dopado con neodimio. Sin embargo, un haz por encima de cierta intensidad puede dañar los amplificadores. Para evitar esto, el Laboratorio tuvo que aumentar su tamaño a decenas de centímetros de diámetro. Pero en 1983, Gerard Mourou, que ahora trabajaba en la Escuela Politécnica de París, y sus colegas lograron un gran avance. Se dio cuenta de que los pulsos láser breves se pueden estirar en el tiempo, haciéndolos menos intensos, utilizando una rejilla de difracción, que distribuye el pulso de acuerdo con sus colores constituyentes. Después de que la luz se amplifica a energías más altas, se puede volver a comprimir utilizando una segunda rejilla de difracción. El resultado es un pulso más potente que no daña el amplificador.
La amplificación de pulsos chirridos se convirtió en la base de los láseres de alta energía. En 1996, permitió a los investigadores de LLNL obtener el primer pulso de petavatios del mundo utilizando un láser Nova. Desde entonces, LLNL ha aumentado la energía del láser en un intento por lograr la fusión nuclear.
El complejo de ignición nacional genera impulsos que contienen un increíble 1.8 MJ de energía en un intento de calentar pequeñas cápsulas de hidrógeno a temperaturas de síntesis. Sin embargo, estos pulsos son relativamente largos y aún alcanzan una potencia de no más de 1 PW.
Para aumentar la potencia, los científicos recurrieron al campo de tiempo de la investigación: están tratando de acumular la energía del pulso en períodos de tiempo cada vez más cortos. Un enfoque es amplificar la luz en los cristales de zafiro con la adición de titanio, que produce luz con una amplia distribución de frecuencia. En la cámara espejo, estos pulsos, reflejados, saltan aquí y allá, y se puede hacer de manera que durante la mayor parte de la longitud del pulso los componentes de frecuencia individuales se destruyan mutuamente, mientras se amplifican mutuamente en un pequeño segmento del pulso con una longitud de solo varias decenas de femtosegundos. Si bombea tales pulsos con una energía de varios cientos de julios, puede obtener una potencia máxima de 10 PW. Así es como SULF y otros láseres a base de zafiro pueden batir récords en términos de potencia utilizando equipos ubicados en una gran sala de solo decenas de millones de dólares, a pesar de que el Complejo Nacional de Encendido costó $ 3.5 mil millones y ocupó un edificio de diez pisos con un área de tres campos de fútbol. campos.
Aumentar la potencia del pulso en un orden de magnitud, de 10 PW a 100 PW, requerirá aún más trucos. Un enfoque es aumentar la energía del pulso de cientos a miles de julios. Pero los láseres basados en zafiro con titanio apenas alcanzan tales energías, ya que los cristales grandes que no sufren de altas potencias tienden a emitir luz en ángulos rectos al haz, desperdiciando energía. Por lo tanto, los científicos de los proyectos SEL, XCELS y OPAL han puesto sus esperanzas en los amplificadores paramétricos ópticos. Toman un pulso estirado por una rejilla de difracción y lo envían a un cristal artificial no lineal, en el que la energía de un segundo haz de bombeo puede enviarse a un pulso. La nueva compresión del pulso de alta energía resultante aumenta su energía.
Una de las posibilidades para acercarse a la marca de 100 PW es combinar varios pulsos: cuatro pulsos de 30 PW cada uno en el caso de SEL y una docena de pulsos de 15 PW en el caso de XCELS. Pero aplicar pulsos que duren solo unos pocos segundos será "muy, muy difícil", dice el especialista en láser de LNLL Konstantin Häfner. Incluso una ligera vibración o un cambio de temperatura pueden rechazarlos, dice. OPAL intentará generar un pulso de 75-PW usando un haz.
Muro ve una forma diferente de lograr una potencia de 100 PW: agregar una segunda etapa de compresión de pulso. Sugiere usar películas de plástico delgadas para expandir el rango de pulsos con una potencia de 10 PW, y luego comprimir estos pulsos a un par de femtosegundos para aumentar bruscamente la potencia a 100 PW.
Cuando los creadores de los láseres logren su objetivo de poder, se enfrentarán a otro desafío: enfoque de haz muy preciso. Muchos científicos prestan más atención no a la potencia total, sino a la intensidad, la potencia por unidad de área. Si logra un enfoque más fino, la intensidad aumentará. Si el pulso de 100 PW puede enfocarse en un área de 3 μm de tamaño, como Lee planea hacer con SEL, la intensidad del haz en esta región alcanzará un increíble 10
24 por cm
2 : esto es 25 órdenes de magnitud, o 10 billones de billones de veces más que la de La luz del sol llega a la tierra.
Tales intensidades abrirán el camino para romper el vacío. Según la
teoría de la electrodinámica cuántica , que describe la interacción de los campos electromagnéticos con la materia, el vacío no está tan vacío, como afirma la física clásica. En escalas de tiempo extremadamente pequeñas, los pares de electrones y positrones aparecen de la nada debido a la incertidumbre inherente a la mecánica cuántica. Debido a su atracción mutua, casi se aniquilan entre sí casi de inmediato.
Pero un láser muy intenso, en principio, podría separar estas partículas antes de que colisionen. Como cualquier onda electromagnética, un rayo láser contiene un campo eléctrico oscilante. Con una intensidad creciente, la fuerza del campo eléctrico también aumenta. A una intensidad del orden de 10
24 W / cm
2, el campo será lo suficientemente fuerte como para comenzar a romper la atracción mutua entre algunos de los pares de electrones-positrones, según
Alexander Mikhailovich Sergeyev , ex director del Instituto de Física Aplicada de la Academia de Ciencias de Rusia en Nizhny Novgorod, ahora presidente RAS El campo láser sacudirá estas partículas, haciendo que emitan ondas electromagnéticas, en este caso, rayos gamma. Estos rayos generarán nuevos pares electrón-positrón, y así sucesivamente, lo que conducirá a una cascada de partículas y radiación que se pueden detectar. "Será una física completamente nueva", dice Sergeyev. Agrega que la energía de los fotones gamma será suficiente para llevar a los átomos a un estado excitado, y así nacerá una nueva rama de la física, la "fotónica nuclear": el uso de luz intensa para controlar los procesos nucleares.
Los amplificadores OMEGA-EP de la Universidad de Rochester, iluminados por linternas, podrían alimentar un láser estadounidense de alta potenciaUna forma de romper el vacío es enfocar un solo rayo láser en un área vacía en la cámara de vacío. Pero será más fácil colisionar dos haces, ya que esto aumenta el valor del impulso necesario para la generación de masa para electrones y positrones. En SEL, los fotones no colisionarán directamente. Primero, los pulsos eliminarán los electrones del helio. Luego, otros fotones del rayo láser se reflejarán de los electrones y se convertirán en rayos gamma de alta energía. Algunos de ellos colisionarán con los fotones del haz.
Solo arreglar tales
colisiones de fotones será un logro científico serio. La física clásica insiste en que dos rayos de luz deben pasar entre sí sin resistencia, pero algunas de las primeras predicciones de la electrodinámica cuántica sugieren que los fotones convergentes a veces pueden dispersarse uno encima del otro. "Tales predicciones se hicieron a principios de la década de 1930", dice Tom Heinzl, físico teórico de la Universidad de Plymouth en Gran Bretaña. "Sería bueno poder confirmarlos experimentalmente".
Además de hacer láseres más potentes, los investigadores también quieren que disparen más rápido. Las lámparas de pulso que bombean energía primaria a los láseres deben enfriarse entre varios minutos y varias horas entre disparos, lo que complica los estudios que requieren grandes cantidades de datos, por ejemplo, el estudio de casos en los que los fotones se convierten en partículas misteriosas de materia oscura, que constituyen la mayor parte de la masa del Universo. . "Lo más probable es que para ver esto, necesite tomar muchas fotos", dice Manuel Hegelich, físico de la Universidad de Texas en Austin.
Una tasa de repetición de pulso más alta es un punto clave en el uso de láseres de alta energía para controlar los haces de partículas. En un esquema, un haz intenso debe convertir un objetivo metálico en plasma, liberando electrones, que a su vez expulsa los protones de los núcleos de la superficie metálica. Los médicos podrían usar tales protones para destruir tumores cancerosos, y una alta velocidad de trabajo facilitaría la realización de procedimientos en dosis pequeñas e individuales.
Los físicos sueñan con aceleradores de partículas que funcionan según el principio de los pulsos láser rápidos. Cuando un pulso láser intenso choca con un plasma de electrones e iones positivos, empuja los electrones más ligeros hacia adelante, separando las cargas y creando un campo eléctrico secundario que tira de los iones después de la luz, como el agua en la estela de un barco. Tal "onda de estela láser" puede acelerar las partículas cargadas a altas energías en un espacio limitado por un par de milímetros, en comparación con los aceleradores multímetros convencionales. Por lo tanto, al usar imanes, los electrones acelerados pueden transmitir vibraciones y crear un láser de electrones libres (FEL), que crea destellos de rayos X extremadamente brillantes y cortos que pueden iluminar fenómenos químicos y biológicos a corto plazo. FEL en un láser podría ser mucho más compacto y más barato que los que funcionan con los aceleradores convencionales.
A la larga, los electrones acelerados mediante la repetición rápida de pulsos láser a potencias del orden de PW pueden reducir drásticamente el costo de la máquina con la que los físicos sueñan: un colisionador de electrones y positrones de 30 kilómetros, que debería convertirse en el sucesor del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN. Un dispositivo basado en láser de 100 PW puede ser no menos de 10 veces más corto y más barato que la máquina de $ 10 mil millones actualmente planificada, dice Stuart Mangles, un especialista en plasma en el Imperial College de Londres.
Para el colisionador lineal y el FEL, tomará miles, o incluso millones, de disparos por segundo, lo que está mucho más allá de la tecnología moderna. Una de las posibilidades que Muro está explorando con sus colegas es intentar combinar la salida de miles de amplificadores de fibra de disparo rápido que no necesitan ser bombeados con lámparas de flash. Otra opción es reemplazar las lámparas de flash con láseres de diodo, que, aunque son caros, pueden volverse más baratos en la producción en masa.
Hasta ahora, el grupo Lee en China y sus rivales en Rusia y Estados Unidos se están centrando en cuestiones de poder. Yefim Khazanov, especialista en láser de IAP, dice que XCELS estará listo para 2026, si el gobierno acuerda asignarle dinero, unos 12 mil millones de rublos (unos $ 200 millones). OPAL, por su parte, parece una opción relativamente rentable, con un precio entre $ 50 y $ 100 millones, según Zugel.
Pero es probable que el primer láser que rompa el vacío sea el SEL chino. En julio pasado, el Comité Internacional de Científicos describió el diseño conceptual del láser como "inequívoco y convincente", y Lee espera obtener la aprobación del gobierno para fondos en el área de $ 100 millones este año. Lee dice que otros países no deberían sentir que permanecen en las sombras cuando se enciende el láser más poderoso del mundo, ya que SEL funcionará como un proyecto internacional. Zugel dice que no le gusta "estar al margen", pero admite que las posiciones del grupo chino son fuertes. "China tiene mucho dinero", dice, "y mucha gente muy inteligente". Todavía están creciendo en muchas tecnologías, pero lo están haciendo rápidamente ”.