Di dalam laboratorium sempit di Shanghai, Cina, fisikawan Ruxin Li dan rekannya mencatat dengan pulsa cahaya paling kuat yang pernah ada di dunia. Di jantung laser mereka yang disebut Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF) adalah silinder safir tunggal yang diolah dengan titanium seukuran piring besar. Setelah cahaya menyala di dalam kristal, ia melewati sistem lensa dan cermin, dan berubah menjadi dorongan kekuatan yang luar biasa. Pada 2016, instalasi mencapai kapasitas 5,3 PW (petawatt, 10
15 W). Namun, di Shanghai, cahaya tidak padam di setiap mulai laser. Meskipun impuls-impuls ini sangat kuat, mereka juga sangat pendek - masing-masing berlangsung tidak lebih dari satu triliun detik. Sekarang para peneliti memperbarui laser mereka dan berharap dapat memecahkan rekor mereka sendiri pada akhir tahun ini, menciptakan pulsa 10-PW, yang 1000 kali kekuatan dari semua jaringan listrik dunia.
Tetapi ambisi kelompok tidak berakhir di sana. Tahun ini, Lee dan rekannya akan mulai membangun laser 100-PW yang disebut Station of Extreme Light (SEL). Pada tahun 2023, ia seharusnya dapat memicu impuls di ruang 20 meter di bawah tanah, mengekspos target ke suhu ekstrem dan tekanan yang tidak ditemukan di Bumi - ini akan menjadi perayaan bagi semua ahli astrofisika dan material ilmuwan. Selain itu, laser akan dapat menunjukkan cara baru untuk mempercepat partikel, yang akan menemukan aplikasi dalam kedokteran dan fisika energi tinggi. Tetapi hal yang paling menarik, menurut Lee, adalah untuk menunjukkan bagaimana cahaya dapat menarik elektron dan saudara kembar mereka dari antimateri, positron, dari ruang kosong - fenomena ini dikenal sebagai "pecahnya vakum". Ini akan menjadi demonstrasi yang menakjubkan dari pertukaran materi dan energi, yang mendalilkan persamaan terkenal Albert Einstein, E = mc
2 . Meskipun senjata nuklir dikenal untuk mengubah materi menjadi sejumlah besar panas dan cahaya, proses sebaliknya tidak begitu mudah diluncurkan. Tapi Lee mengatakan SEL bisa mengatasinya. "Ini akan sangat menyenangkan," katanya. "Ini berarti kamu bisa membuat sesuatu dari ketiadaan."
Sebuah tim ilmuwan China "jelas berfungsi sebagai garda depan" di jalan menuju 100 PW, kata Philip Bucksbaum, seorang ahli fisika nuklir di Universitas Stanford. Tetapi mereka memiliki saingan yang cukup. Selama beberapa tahun ke depan, perangkat 10-PW akan beroperasi di Rumania dan Republik Ceko sebagai bagian dari penelitian Eropa
Extreme Light Infrastructure , meskipun proyek ini baru-baru ini menunda pembangunan laser 100-PW. Fisikawan Rusia telah
mengembangkan pengaturan laser 180-PW untuk proyek Exawatt Center untuk Studi Cahaya Ekstrim (
XCELS ) [
tidak hanya dikembangkan - proyek ini sudah ada dalam daftar proyek megaproyek 2010-2020 / perkiraan. perev. ], dan Jepang membuat proposal untuk membuat perangkat dengan kapasitas 30 PW.
Ilmuwan AS keluar dari kompetisi energi tinggi, menurut sebuah penelitian yang diterbitkan bulan lalu oleh Akademi Sains, Teknik dan Kedokteran Nasional, sebuah kelompok yang diketuai oleh Bucksbaum. Studi ini meminta Departemen Energi AS untuk merencanakan setidaknya satu pabrik berenergi tinggi, dan ini memberi harapan bagi para peneliti dari University of Rochester di New York yang sedang mengembangkan rencana untuk membangun laser 75-PW, Optical Parametric Amplifier Line (OPAL). Dia akan dapat mengambil keuntungan dari laser dari
OMEGA-EP , salah satu laser yang paling kuat di Amerika Serikat. "Laporan akademi mendorong tindakan," kata Jonathan Zugel, yang memimpin proyek OPAL.
Laser, ditemukan pada tahun 1960-an, menggunakan sistem pompa eksternal, seperti lampu kilat, untuk membangkitkan elektron dalam atom materi yang mendasari laser - biasanya gas, kristal, atau semikonduktor. Ketika masing-masing elektron ini kembali ke keadaan tidak tereksitasi, ia memancarkan foton, yang pada gilirannya merangsang elektron lain untuk memancarkan foton, dan seterusnya. Tidak seperti divergen sinar cahaya, foton dalam laser menghasilkan aliran padat dengan panjang gelombang tertentu.
Karena daya adalah energi per unit waktu, ada dua cara untuk memaksimalkannya: meningkatkan energi laser atau mengurangi durasi pulsa. Pada tahun 1970-an, para peneliti dari Livermore National Laboratory (LLNL) di California berkonsentrasi pada opsi pertama, meningkatkan energi laser dengan mengarahkan ulang sinar melalui kristal-kristal pembangkit tambahan yang terdiri dari kaca yang diolah dengan neodymium. Namun, sinar di atas intensitas tertentu dapat merusak amplifier. Untuk menghindari hal ini, Laboratorium harus meningkatkan ukurannya hingga puluhan sentimeter. Tetapi pada tahun 1983, Gerard Mourou, sekarang bekerja di Sekolah Politeknik di Paris, dan rekan-rekannya membuat terobosan. Dia menyadari bahwa pulsa laser singkat dapat diregangkan dalam waktu - membuatnya kurang kuat - menggunakan kisi difraksi, yang mendistribusikan pulsa sesuai dengan warna-warna penyusunnya. Setelah cahaya diperkuat ke energi yang lebih tinggi, dapat dikompres ulang menggunakan kisi difraksi kedua. Hasilnya adalah pulsa yang lebih kuat yang tidak merusak amplifier.
Amplifikasi pulsa kicau menjadi dasar dari laser berenergi tinggi. Pada tahun 1996, itu memungkinkan para peneliti LLNL untuk mendapatkan pulsa petawatt pertama di dunia menggunakan laser Nova. Sejak itu, LLNL telah meningkatkan energi laser dalam upaya mencapai fusi nuklir.
Kompleks pengapian nasional menghasilkan impuls yang mengandung 1,8 MJ energi yang luar biasa dalam upaya untuk memanaskan kapsul hidrogen kecil ke suhu sintesis. Namun, pulsa ini relatif panjang, dan mereka masih mencapai daya tidak lebih dari 1 PW.
Untuk menambah daya, para ilmuwan beralih ke bidang waktu penelitian: mereka mencoba mengemas energi nadi dalam periode waktu yang semakin pendek. Salah satu pendekatan adalah memperkuat cahaya dalam kristal safir dengan penambahan titanium, yang menghasilkan cahaya dengan penyebaran frekuensi yang luas. Pada kamera SLR, pulsa-pulsa ini, terpantul, melompat ke sana-sini, dan itu dapat dilakukan sehingga untuk sebagian besar panjang pulsa, komponen frekuensi individual saling menghancurkan satu sama lain, sementara saling memperkuat satu sama lain pada segmen kecil dari pulsa yang hanya beberapa puluh femtoseconds. Jika Anda memompa pulsa seperti itu dengan energi beberapa ratus joule, Anda bisa mendapatkan kekuatan puncak 10 PW. Begitulah SULF dan laser berbasis safir lainnya dapat memecahkan rekor dalam kekuasaan menggunakan peralatan yang pas di ruangan besar yang bernilai hanya puluhan juta dolar - terlepas dari kenyataan bahwa Kompleks Pengapian Nasional menelan biaya 3,5 miliar dolar AS dan menempati gedung berlantai sepuluh dengan tiga lapangan sepak bola bidang.
Meningkatkan daya pulsa dengan urutan besarnya, dari 10 PW hingga 100 PW, akan membutuhkan lebih banyak trik. Salah satu pendekatan adalah meningkatkan energi pulsa dari ratusan hingga ribuan joule. Tetapi laser berbasis safir dengan titanium hampir tidak mencapai energi seperti itu, karena kristal besar yang tidak menderita kekuatan tinggi cenderung memancarkan cahaya pada sudut yang tepat ke balok, sehingga membuang energi. Oleh karena itu, para ilmuwan dari proyek SEL, XCELS dan OPAL telah menempatkan harapan mereka pada penguat parametrik optik. Mereka mengambil pulsa yang diregangkan oleh kisi difraksi, dan mengirimkannya ke kristal nonlinier buatan, di mana energi dari balok pemompa kedua dapat dikirim ke pulsa. Kompresi ulang dari pulsa berenergi tinggi yang dihasilkan meningkatkan energinya.
Salah satu kemungkinan untuk mendekati tanda 100 PW adalah menggabungkan beberapa pulsa - empat pulsa masing-masing 30 PW dalam kasus SEL dan selusin pulsa 15 PW dalam kasus XCELS. Tetapi hanya menerapkan pulsa yang berlangsung hanya beberapa fs akan "sangat, sangat sulit," kata spesialis laser LNLL Konstantin Hรคfner. Bahkan sedikit getaran atau perubahan suhu dapat menolaknya, katanya. OPAL akan mencoba menghasilkan pulsa 75-PW menggunakan satu sinar.
Muro melihat cara berbeda untuk mencapai kekuatan 100 PW: menambahkan tahap kedua kompresi pulsa. Dia menyarankan menggunakan film plastik tipis untuk memperluas jangkauan pulsa dengan kekuatan 10 PW, dan kemudian mengompres pulsa ini ke beberapa femtosecond untuk meningkatkan daya secara tajam hingga 100 PW.
Ketika pencipta laser mencapai tujuan kekuatan mereka, mereka akan menghadapi tantangan lain: pemfokusan sinar yang sangat presisi. Banyak ilmuwan lebih memperhatikan bukan pada daya total, tetapi pada intensitas - daya per satuan luas. Jika Anda mencapai fokus yang lebih baik, intensitasnya akan meningkat. Jika pulsa 100-PW dapat difokuskan pada area seluas 3 ฮผm, seperti yang Lee rencanakan untuk dilakukan pada SEL, intensitas sinar di wilayah ini akan mencapai 10
24 per cm
2 yang luar biasa - ini adalah 25 orde magnitudo, atau 10 triliun triliun kali lebih banyak dari sinar matahari mencapai bumi.
Intensitas seperti itu akan membuka jalan untuk memecahkan kekosongan. Menurut
teori kuantum elektrodinamika , yang menggambarkan interaksi medan elektromagnetik dengan materi, ruang hampa tidak begitu kosong, seperti yang diklaim oleh fisika klasik. Pada skala waktu yang sangat kecil, pasangan elektron dan positron muncul entah dari mana karena ketidakpastian yang melekat dalam mekanika kuantum. Karena ketertarikan timbal balik mereka, mereka hampir saling memusnahkan segera.
Tetapi laser yang sangat kuat, pada prinsipnya, dapat memisahkan partikel-partikel ini sebelum mereka bertabrakan. Seperti gelombang elektromagnetik lainnya, sinar laser mengandung medan listrik berosilasi. Dengan meningkatnya intensitas, kekuatan medan listrik juga meningkat. Pada intensitas urutan 10
24 W / cm
2, lapangan akan cukup kuat untuk mulai memecah ketertarikan timbal balik antara beberapa pasangan elektron-positron, seperti
Alexander Mikhailovich Sergeev , mantan direktur Institut Fisika Terapan Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia di Nizhny Novgorod, sekarang menjadi presiden RAS. Medan laser akan mengguncang partikel-partikel ini, menyebabkan mereka memancarkan gelombang elektromagnetik - dalam hal ini, sinar gamma. Sinar-sinar ini akan menghasilkan pasangan elektron-positron baru, dan seterusnya, yang akan menyebabkan kaskade partikel dan radiasi yang dapat dideteksi. "Ini akan menjadi fisika yang sama sekali baru," kata Sergeyev. Dia menambahkan bahwa energi foton gamma akan cukup untuk membawa atom ke keadaan tereksitasi, dan dengan demikian cabang fisika baru akan lahir, "photonics nuklir" - penggunaan cahaya yang kuat untuk mengendalikan proses nuklir.
Amplifier OMEGA-EP di University of Rochester, diterangi oleh senter, dapat memberi daya pada laser daya tinggi AmerikaSalah satu cara untuk memecahkan vakum adalah dengan memfokuskan sinar laser tunggal pada area kosong di ruang vakum. Tetapi akan lebih mudah untuk bertabrakan dua balok, karena ini meningkatkan nilai momentum yang diperlukan untuk pembangkitan massa untuk elektron dan positron. Dalam SEL, foton tidak akan bertabrakan secara langsung. Pertama, pulsa akan mengetuk elektron dari helium. Kemudian foton lain dari sinar laser akan dipantulkan dari elektron, dan diubah menjadi sinar gamma berenergi tinggi. Beberapa dari mereka akan bertabrakan dengan foton balok.
Hanya memperbaiki
tabrakan foton akan menjadi prestasi ilmiah yang serius. Fisika klasik menegaskan bahwa dua sinar cahaya harus melewati satu sama lain tanpa perlawanan, tetapi beberapa prediksi awal elektrodinamika kuantum menunjukkan bahwa foton konvergen kadang-kadang dapat tersebar di atas satu sama lain. "Prediksi seperti itu dibuat kembali pada awal 1930-an," kata Tom Heinzl, seorang ahli fisika teori di Universitas Plymouth di Inggris. "Akan sangat bagus untuk bisa mengkonfirmasi mereka secara eksperimental."
Selain membuat laser yang lebih kuat, peneliti juga ingin mereka menembak lebih cepat. Lampu pulsa yang memompa energi primer menjadi laser perlu didinginkan dari beberapa menit hingga beberapa jam di antara pemotretan, yang mempersulit studi yang membutuhkan data dalam jumlah besar - misalnya, studi kasus di mana foton berubah menjadi partikel misterius materi gelap, yang membentuk sebagian besar massa Semesta. . "Kemungkinan besar, untuk melihat ini, Anda perlu mengambil banyak gambar," kata Manuel Hegelich, seorang ahli fisika di University of Texas di Austin.
Tingkat pengulangan pulsa yang lebih tinggi adalah titik kunci dalam menggunakan laser berenergi tinggi untuk mengontrol sinar partikel. Dalam satu skema, sinar yang intens harus mengubah target logam menjadi plasma, membebaskan elektron, yang pada gilirannya mengetuk proton keluar dari inti dari permukaan logam. Dokter dapat menggunakan proton semacam itu untuk menghancurkan tumor kanker - dan kecepatan kerja yang tinggi akan membuatnya lebih mudah untuk melakukan prosedur dalam dosis kecil dan individu.
Fisikawan memimpikan akselerator partikel yang beroperasi berdasarkan prinsip pulsa laser cepat. Ketika pulsa laser yang kuat bertabrakan dengan plasma elektron dan ion positif, itu mendorong elektron yang lebih ringan ke depan, memisahkan muatan dan menciptakan medan listrik sekunder yang menarik ion setelah cahaya, seperti air di belakang perahu. Seperti "gelombang bangun laser" dapat mempercepat partikel bermuatan ke energi tinggi di ruang yang dibatasi oleh beberapa milimeter - dibandingkan dengan akselerator multimeter konvensional. Dengan demikian, menggunakan magnet, elektron yang dipercepat dapat mengirimkan getaran dan membuat laser elektron bebas (FEL), yang menciptakan kilatan sinar-X yang sangat terang dan pendek yang dapat menerangi fenomena kimia dan biologi jangka pendek. FEL pada laser bisa menjadi jauh lebih kompak dan lebih murah daripada yang bekerja berdasarkan akselerator konvensional.
Dalam jangka panjang, elektron yang dipercepat dengan pulsa laser yang berulang dengan cepat pada kekuatan PW dapat secara drastis mengurangi biaya mesin yang diimpikan oleh fisikawan: collider elektron-positron 30 kilometer, yang seharusnya menjadi penerus Large Hadron Collider di CERN. Perangkat berbasis laser 100 pW bisa tidak kurang dari 10 kali lebih pendek dan lebih murah daripada mesin $ 10 miliar yang saat ini direncanakan, kata Stuart Mangles, spesialis plasma di Imperial College London.
Untuk linear collider dan FEL, akan dibutuhkan ribuan, atau bahkan jutaan, bidikan per detik, yang jauh melampaui teknologi modern. Salah satu kemungkinan yang dieksplorasi Muro dengan rekan-rekannya adalah mencoba untuk menggabungkan hasil dari ribuan penguat serat yang menyala cepat yang tidak perlu dipompa dengan lampu flash. Pilihan lain adalah mengganti lampu flash dengan laser dioda, yang, meskipun mahal, dapat menjadi lebih murah dalam produksi massal.
Sejauh ini, kelompok Lee di Cina, dan para pesaingnya di Rusia dan Amerika Serikat, berfokus pada masalah kekuasaan. Yefim Khazanov, spesialis laser di IAP, mengatakan XCELS akan siap pada 2026 - jika pemerintah setuju untuk mengalokasikan uang untuk itu, sekitar 12 miliar rubel (sekitar $ 200 juta). Sementara itu, OPAL sepertinya merupakan opsi yang relatif menguntungkan, dihargai antara $ 50 dan $ 100 juta, menurut Zugel.
Tetapi laser pertama untuk memecahkan vakum kemungkinan adalah SEL Cina. Juli lalu, Komite Internasional Ilmuwan menggambarkan desain konseptual laser sebagai "tegas dan meyakinkan," dan Lee berharap untuk mendapatkan persetujuan dari pemerintah untuk dana di wilayah $ 100 juta tahun ini. Lee mengatakan negara-negara lain seharusnya tidak merasa seperti mereka tetap berada dalam bayang-bayang ketika laser paling kuat di dunia menyala - karena SEL akan bekerja sebagai proyek internasional. Zugel mengatakan dia tidak suka "berada di sela-sela," tetapi mengakui bahwa posisi kelompok Cina kuat. โTiongkok memiliki banyak uang,โ katanya, โdan banyak orang yang sangat pintar.โ Mereka masih tumbuh dengan banyak teknologi, tetapi mereka melakukannya dengan cepat. "