Físicos planejam construir lasers de enorme poder, capazes de quebrar o espaço aberto

Dentro de um laboratório apertado em Xangai, na China, o físico Ruxin Li e seus colegas estabeleceram recordes com os pulsos de luz mais poderosos que o mundo já viu. No coração do laser, chamado de Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF) de Xangai, há um único cilindro de safira dopado com titânio do tamanho de uma placa grande. Depois que a luz acende no cristal, ela passa por um sistema de lentes e espelhos e se transforma em impulsos de incrível poder. Em 2016, a instalação atingiu uma capacidade de 5,3 PW (petawatt, 10 ¹⁵ W). No entanto, em Xangai, a luz não se apaga a cada início de laser. Embora esses impulsos sejam extremamente poderosos, eles também são extremamente curtos - cada um deles não dura mais que um bilionésimo de segundo. Agora, os pesquisadores estão atualizando seu laser e esperando quebrar seu próprio recorde até o final deste ano, criando um pulso de 10 PW, que é 1000 vezes a potência de todas as redes elétricas do mundo.

Mas as ambições do grupo não param por aí. Este ano, Lee e seus colegas estão prestes a começar a construir um laser de 100 PW chamado Station of Extreme Light (SEL). Até 2023, ele deve ser capaz de desencadear impulsos em uma sala a 20 metros de profundidade, expondo o alvo a temperaturas e pressões extremas não encontradas na Terra - essa será uma celebração para todos os astrofísicos e cientistas de materiais. Além disso, o laser será capaz de demonstrar uma nova maneira de acelerar partículas, que encontrará aplicação na medicina e na física de alta energia. Mas o mais interessante, segundo Lee, será mostrar como a luz pode puxar elétrons e seus gêmeos da antimatéria, pósitrons e do espaço vazio - esse fenômeno é conhecido como “ruptura do vácuo”. Esta será uma demonstração impressionante da intercambiabilidade de matéria e energia, que postula a famosa equação de Albert Einstein, E = mc ² . Embora as armas nucleares sejam conhecidas por transformar a matéria em uma enorme quantidade de calor e luz, o processo inverso não é tão fácil de lançar. Mas Lee diz que o SEL pode lidar com isso. "Vai ser muito emocionante", diz ele. "Isso significa que você pode criar algo do nada."

Uma equipe chinesa de cientistas "definitivamente serve como vanguarda" no caminho para 100 PW, diz Philip Bucksbaum, físico nuclear da Universidade de Stanford. Mas eles têm rivais suficientes. Nos próximos anos, os dispositivos 10-PW estarão operacionais na Romênia e na República Tcheca como parte da pesquisa européia Extreme Light Infrastructure , embora este projeto tenha atrasado recentemente a construção de um laser de 100-PW. Os físicos russos desenvolveram uma configuração de laser de 180 PW para o projeto do Centro Exawatt de Estudos de Luz Extrema ( XCELS ) [ não apenas desenvolvido - o projeto já está na lista de megaprojetos 2010-2020 / aprox. perev. ], e os japoneses fizeram uma proposta para criar um dispositivo com capacidade de 30 PW.

Cientistas dos EUA desistiram da competição de alta energia, de acordo com um estudo publicado no mês passado pelas Academias Nacionais de Ciência, Engenharia e Medicina, um grupo presidido por Bucksbaum. Este estudo solicita ao Departamento de Energia dos EUA que planeje pelo menos uma usina de alta energia, e isso dá esperança a pesquisadores da Universidade de Rochester, em Nova York, que estão desenvolvendo planos para construir um laser de 75 PW, a Linha de Amplificadores Paramétricos Ópticos (OPAL). Ela poderá tirar proveito dos lasers da OMEGA-EP , um dos lasers mais poderosos dos Estados Unidos. "O relatório das academias incentiva a ação", disse Jonathan Zugel, que lidera o projeto OPAL.

Os lasers, inventados na década de 1960, usam um sistema de bomba externo, como uma lâmpada de flash, para excitar elétrons nos átomos do material subjacente ao laser - geralmente um gás, cristal ou semicondutor. Quando cada um desses elétrons retorna a um estado não excitado, emite um fóton, que por sua vez estimula outro elétron a emitir um fóton, e assim por diante. Ao contrário dos raios de luz divergentes, os fótons em um laser produzem um fluxo densamente compactado com um comprimento de onda específico.

Como energia é energia por unidade de tempo, existem duas maneiras de maximizá-la: aumentar a energia do laser ou diminuir a duração do pulso. Na década de 1970, pesquisadores do Laboratório Nacional Livermore (LLNL), na Califórnia, concentraram-se na primeira opção, aumentando a energia do laser ao redirecionar os feixes através de cristais geradores adicionais compostos por vidro dopado com neodímio. No entanto, um feixe acima de uma certa intensidade pode danificar os amplificadores. Para evitar isso, o laboratório teve que aumentar seu tamanho para dezenas de centímetros de diâmetro. Mas em 1983, Gerard Mourou, agora trabalhando na Escola Politécnica de Paris, e seus colegas fizeram um grande avanço. Ele percebeu que breves pulsos de laser podem ser esticados no tempo - tornando-os menos intensos - usando uma grade de difração, que distribui o pulso de acordo com suas cores constituintes. Depois que a luz é amplificada para energias mais altas, ela pode ser comprimida novamente usando uma segunda grade de difração. O resultado é um pulso mais poderoso que não danifica o amplificador.



A amplificação de pulsos chirped tornou-se a base de lasers de alta energia. Em 1996, permitiu aos pesquisadores do LLNL obter o primeiro pulso de petawatt do mundo usando um laser Nova. Desde então, o LLNL aumentou a energia do laser na tentativa de obter a fusão nuclear. O complexo nacional de ignição gera impulsos contendo incríveis 1,8 MJ de energia na tentativa de aquecer minúsculas cápsulas de hidrogênio a temperaturas de síntese. No entanto, esses pulsos são relativamente longos e ainda atingem uma potência não superior a 1 PW.

Para aumentar o poder, os cientistas voltaram-se para o campo da pesquisa no tempo: eles estão tentando acumular a energia do pulso em períodos cada vez mais curtos. Uma abordagem é ampliar a luz nos cristais de safira com a adição de titânio, que produz luz com uma ampla propagação de frequência. Na câmera do espelho, esses pulsos, refletidos, pulam aqui e ali, e isso pode ser feito para que, durante a maior parte do comprimento do pulso, os componentes de frequência individuais se destruam mutuamente, enquanto amplificam um ao outro em um pequeno segmento do pulso, com apenas dezenas de femtossegundos. Se você bombear esses pulsos com uma energia de várias centenas de joules, poderá obter uma potência de pico de 10 PW. É assim que o SULF e outros lasers baseados em safira podem bater recordes de potência usando equipamentos que se encaixam em uma grande sala no valor de dezenas de milhões de dólares - apesar do fato de o Complexo Nacional de Ignição custar US $ 3,5 bilhões e ocupar um prédio de dez andares com três quadrados de futebol campos.

Aumentar a potência do pulso em uma ordem de magnitude, de 10 PW para 100 PW, exigirá ainda mais truques. Uma abordagem é aumentar a energia do pulso de centenas a milhares de joules. Mas os lasers à base de safira com titânio dificilmente atingem essas energias, uma vez que grandes cristais que não sofrem com altas potências tendem a emitir luz perpendicular ao feixe, desperdiçando energia. Portanto, os cientistas dos projetos SEL, XCELS e OPAL depositaram suas esperanças em amplificadores paramétricos ópticos. Eles pegam um pulso esticado por uma grade de difração e o enviam para um cristal artificial não linear, no qual a energia de um segundo feixe de bombeamento pode ser enviada para um pulso. A re-compressão do pulso de alta energia resultante aumenta sua energia.

Uma das possibilidades de se aproximar da marca de 100 PW é combinar vários pulsos - quatro pulsos de 30 PW cada para SEL e uma dúzia de pulsos 15 PW cada para XCELS. Mas apenas aplicar pulsos com duração de apenas alguns segundos será "muito, muito difícil", diz Konstantin Häfner, especialista em laser da LNLL. Mesmo uma leve vibração ou uma mudança de temperatura pode rejeitá-las, diz ele. O OPAL tentará gerar um pulso de 75 PW usando um feixe.

Muro vê uma maneira diferente de obter uma potência de 100 PW: adicionando um segundo estágio de compressão de pulso. Ele sugere o uso de filmes plásticos finos para expandir a faixa de pulsos com uma potência de 10 PW e depois comprimir esses pulsos para alguns femtossegundos para aumentar drasticamente a potência para 100 PW.

Quando os criadores dos lasers atingirem seu objetivo de potência, enfrentarão outro desafio: o foco muito preciso no feixe. Muitos cientistas prestam mais atenção não à potência total, mas à intensidade - potência por unidade de área. Se você conseguir um foco mais preciso, a intensidade aumentará. Se um pulso de 100 PW puder ser focado em uma área de 3 μm de tamanho, como Lee planeja fazer no SEL, a intensidade do feixe nessa região alcançará incríveis 10 ²⁴ por cm ² - isso é 25 ordens de magnitude, ou 10 trilhões de trilhões de vezes mais do que a de luz do sol atingindo a terra.

Tais intensidades abrirão o caminho para quebrar o vácuo. De acordo com a teoria da eletrodinâmica quântica , que descreve a interação dos campos eletromagnéticos com a matéria, o vácuo não é tão vazio, como afirma a física clássica. Em escalas de tempo extremamente pequenas, pares de elétrons e pósitrons aparecem do nada devido à incerteza inerente à mecânica quântica. Devido à sua atração mútua, eles quase se aniquilam um com o outro quase imediatamente.

Mas um laser muito intenso, em princípio, poderia separar essas partículas antes que colidissem. Como qualquer onda eletromagnética, um raio laser contém um campo elétrico oscilante. Com o aumento da intensidade, a força do campo elétrico também aumenta. Em uma intensidade da ordem de 10 ²⁴ W / cm ^{2, o} campo será forte o suficiente para começar a romper a atração mútua entre alguns dos pares elétron-pósitron, como Alexander Mikhailovich Sergeev , ex-diretor do Instituto de Física Aplicada da Academia Russa de Ciências em Nizhny Novgorod, agora presidente RAS. O campo do laser sacudirá essas partículas, fazendo com que elas emitam ondas eletromagnéticas - neste caso, raios gama. Esses raios irão gerar novos pares elétron-pósitron, e assim por diante, o que levará a uma cascata de partículas e radiação que podem ser detectadas. "Será uma física completamente nova", diz Sergeyev. Ele acrescenta que a energia dos fótons gama será suficiente para levar os átomos a um estado excitado, e assim nascerá um novo ramo da física, "fotônica nuclear" - o uso de luz intensa para controlar processos nucleares.


Os amplificadores OMEGA-EP da Universidade de Rochester, iluminados por lanternas, poderiam alimentar um laser americano de alta potência

Uma maneira de quebrar o vácuo é focalizar um único raio laser em uma área vazia na câmara de vácuo. Mas será mais fácil colidir dois feixes, pois isso aumenta o valor do momento necessário para a geração de massa para elétrons e pósitrons. No SEL, os fótons não colidem diretamente. Primeiro, pulsos arrancam elétrons do hélio. Em seguida, outros fótons do feixe de laser serão refletidos nos elétrons e convertidos em raios gama de alta energia. Alguns deles colidem com os fótons do feixe.

Consertar essas colisões de fótons será uma conquista científica séria. A física clássica insiste em que dois raios de luz devem passar um pelo outro sem resistência, mas algumas das primeiras previsões da eletrodinâmica quântica sugerem que os fótons convergentes às vezes podem se espalhar um sobre o outro. "Tais previsões foram feitas no início dos anos 30", diz Tom Heinzl, físico teórico da Universidade de Plymouth, na Grã-Bretanha. "Seria bom poder confirmá-los experimentalmente".

Além de produzir lasers mais poderosos, os pesquisadores também querem que eles disparem mais rápido. As lâmpadas de pulso que injetam energia primária em lasers precisam ser resfriadas de alguns minutos a várias horas entre as tomadas, o que complica estudos que exigem grandes quantidades de dados - por exemplo, o estudo de casos em que os fótons se transformam em partículas misteriosas de matéria escura, que compõem a maior parte da massa do Universo. . "Provavelmente, para ver isso, você precisará tirar muitas fotos", diz Manuel Hegelich, físico da Universidade do Texas em Austin.

Uma taxa de repetição de pulso mais alta é um ponto-chave no uso de lasers de alta energia para controlar os feixes de partículas. Em um esquema, um feixe intenso deve transformar um alvo metálico em plasma, liberando elétrons, que por sua vez retiram prótons dos núcleos da superfície do metal. Os médicos poderiam usar esses prótons para destruir tumores cancerígenos - e uma alta velocidade de trabalho facilitaria a realização de procedimentos em doses pequenas e individuais.

Os físicos sonham com aceleradores de partículas operando com o princípio de pulsos rápidos de laser. Quando um pulso laser intenso colide com um plasma de elétrons e íons positivos, empurra os elétrons mais leves para frente, separando as cargas e criando um campo elétrico secundário que puxa os íons após a luz, como a água na esteira de um barco. Uma "onda de vigília a laser" pode acelerar partículas carregadas para altas energias em um espaço limitado por alguns milímetros - em comparação com os aceleradores multímetros convencionais. Assim, usando ímãs, os elétrons acelerados podem transmitir vibrações e criar um laser de elétrons livres (FEL), que cria flashes extremamente brilhantes e curtos de raios-X que podem iluminar fenômenos químicos e biológicos a curto prazo. O FEL em um laser pode se tornar muito mais compacto e mais barato do que aqueles que funcionam com base em aceleradores convencionais.

A longo prazo, os elétrons acelerados pela repetição rápida de pulsos de laser com potências da ordem dos PW podem reduzir drasticamente o custo da máquina com a qual os físicos sonham: um colisor de elétrons-pósitrons de 30 quilômetros, que deve se tornar o sucessor do Large Hadron Collider no CERN. Um dispositivo a laser de 100 pW pode ser 10 vezes menor e mais barato do que a máquina de US $ 10 bilhões atualmente planejada, diz Stuart Mangles, especialista em plasma no Imperial College de Londres.

Para o colisor linear e o FEL, são necessários milhares ou até milhões de disparos por segundo, o que está muito além da tecnologia moderna. Uma das possibilidades que Muro está explorando com os colegas é tentar combinar a saída de milhares de amplificadores de fibra de disparo rápido que não precisam ser bombeados com lâmpadas de flash. Outra opção é substituir as lâmpadas de flash por lasers de diodo, que, embora caros, podem se tornar mais baratos na produção em massa.

Até agora, o grupo Lee na China e seus rivais na Rússia e nos Estados Unidos estão se concentrando em questões de poder. Yefim Khazanov, especialista em laser do IAP, diz que o XCELS estará pronto em 2026 - se o governo concordar em alocar dinheiro para isso, cerca de 12 bilhões de rublos (cerca de US $ 200 milhões). Enquanto isso, a OPAL parece uma opção relativamente lucrativa, com preço entre US $ 50 e US $ 100 milhões, segundo Zugel.

Mas o primeiro laser a quebrar o vácuo provavelmente será o SEL chinês. Em julho passado, o Comitê Internacional de Cientistas descreveu o design conceitual do laser como "inequívoco e convincente", e Lee espera obter aprovação do governo para fundos na área de US $ 100 milhões este ano. Lee diz que outros países não devem sentir-se nas sombras quando o laser mais poderoso do mundo for ligado - pois o SEL funcionará como um projeto internacional. Zugel diz que não gosta de "ficar à margem", mas admite que as posições do grupo chinês são fortes. "A China tem muito dinheiro", diz ele, "e muitas pessoas muito inteligentes". Eles ainda estão crescendo em muitas tecnologias, mas estão fazendo isso rapidamente. ”