Prelomový laser na zlomok sekundy prekoná energetický výkon celej planéty

Vo svete extrémnej fyziky, kde sa vedci snažia napodobniť podmienky panujúce v blízkosti čiernych dier alebo v prvých okamihoch po Veľkom tresku, sa odohral významný míľnik. Na Michiganskej univerzite bol spustený laserový systém ZEUS (Zettawatt-Equivalent Ultrashort pulse System), ktorý sa okamžite stal najvýkonnejším laserom v Spojených štátoch.

Toto zariadenie, financované Národnou vedeckou nadáciou (NSF) sumou 16 miliónov dolárov, dokázalo vygenerovať svetelný impulz s ohromujúcim špičkovým výkonom 2 petawatty, čo je 2×1015 wattov. Aby sme si toto číslo vedeli predstaviť, počas extrémne krátkeho trvania tohto impulzu – iba 25 kvintilióntin sekundy ( 25×10−18 s) – bol jeho výkon viac ako 100-násobne vyšší, než je celkový okamžitý energetický príkon celej našej planéty.

Zdroj Foto: Marcin Szczepanski, Michigan Engineering

Tento úspech nepredstavuje len prekonanie rekordu, ale otvára úplne nové možnosti pre experimenty v oblasti kvantovej fyziky, plazmovej vedy a astrofyziky, ktoré boli doteraz pre amerických vedcov nedostupné. Podľa Karla Krushelnicka, riaditeľa Centra pre ultrarýchlu optickú vedu Gérarda Mouroua, tento míľnik znamená začiatok novej éry objavov. 

Srdcom systému ZEUS je sofistikovaný proces zosilňovania svetla, ktorý možno prirovnať k zaostrovaniu svetla nielen v priestore, ale aj v čase. Celý proces sa začína slabým infračerveným impulzom. Tento impulz je najprv pomocou optických mriežok časovo „natiahnutý“, čím sa zníži jeho okamžitá intenzita, aby nepoškodil optické komponenty.

Zdroj Foto: Marcin Szczepanski, Michigan Engineering

Následne prechádza štyrmi stupňami zosilnenia, pričom kľúčovú úlohu zohráva posledný stupeň. Ten obsahuje obrovský a extrémne vzácny kryštál zafíru dopovaného titánom, ktorého výroba a dodanie trvali štyri a pol roka. V tomto procese sa laserový lúč rozšíri až na šírku 30,5 cm. Po dosiahnutí maximálnej energie je lúč opäť pomocou mriežok časovo stlačený do extrémne krátkeho impulzu a priestorovo zaostrený na plochu so šírkou menšou ako jeden mikrometer.

Práve táto extrémna koncentrácia energie na tak malom priestore a v tak krátkom čase je to, čo vytvára exotické fyzikálne javy. Energia lúča je taká intenzívna, že dokáže odtrhnúť elektróny od atómov a vytvoriť plazmu – štvrté skupenstvo hmoty. Vedci túto plazmu využívajú na techniku nazývanú „urýchľovanie v brázde“ (wakefield acceleration).

Vystrelením laserového impulzu do héliového plynu vytvoria v plazme vlny, na ktorých môžu elektróny „surfovať“ a dosiahnuť obrovské energie na vzdialenosti len niekoľkých centimetrov, zatiaľ čo konvenčné urýchľovače častíc na to potrebujú stovky metrov. Hoci sa výskum so systémom ZEUS môže zdať ako čisto akademická záležitosť, jeho potenciálne aplikácie majú priamy dosah na reálny svet.

Zdroj Foto: Marcin Szczepanski, Michigan Engineering

Ako zdôraznil Vjačeslav Lukin, programový riaditeľ NSF, tento výskum môže viesť k vývoju lepších zobrazovacích metód pre mäkké tkanivá v medicíne alebo k pokroku v technológiách na liečbu rakoviny. Kompaktné urýchľovanie častíc, ktoré ZEUS umožňuje, by mohlo v budúcnosti viesť k vytvoreniu urýchľovačov veľkosti nemocničnej miestnosti namiesto zariadení veľkosti mesta, čo by sprístupnilo pokročilú rádioterapiu oveľa širšiemu okruhu pacientov.

Tento príklad dokonale ilustruje symbiózu medzi základným, zvedavosťou poháňaným výskumom a praktickými technologickými prelomami. Investície do skúmania fundamentálnych zákonov vesmíru sú v skutočnosti investíciami do budúcich medicínskych a technologických zázrakov.

Zdroj Foto: Marcin Szczepanski, Michigan Engineering

Bez snahy pochopiť exotické kvantové javy by sme nemohli vyvinúť nástroje, ktoré jedného dňa môžu zachraňovať životy. ZEUS bol od začiatku navrhnutý ako národné výskumné zariadenie, ktoré je otvorené pre vedcov z celých Spojených štátov aj zo zahraničia. Návrhy na experimenty prechádzajú prísnym recenzným procesom a tie najlepšie získajú prístup k laseru. Cesta k dosiahnutiu výkonu 2 petawatty nebola jednoduchá a sprevádzali ju technické výzvy.

Po dosiahnutí výkonu 1 petawatt si vedci všimli, že optické mriežky tmavnú v dôsledku usadenín uhlíka z molekúl v komore. Museli preto presne určiť bezpečný počet výstrelov, po ktorom je potrebné systém vyčistiť. Tím bude naďalej podporovať externých výskumníkov a zároveň pracovať na vylepšeniach, vrátane inštalácie nového zafírového kryštálu, ktorý by mal umožniť dosiahnuť plánovaný výkon 3 petawatty.  

Zdroj: thebrighterside.news.

^{Zdroj Foto: Marcin Szczepanski, Michigan Engineering}