Laser de 100 petavatios

Esta "amplificación de pulso chirriante" se ha convertido en un elemento básico de los láseres de alta potencia. En 1996, permitió a los investigadores de LLNL generar el primer pulso petavatio del mundo con el láser Nova. Desde entonces, LLNL ha empujado a energías más altas en busca de la fusión impulsada por láser. La Instalación Nacional de Encendido (NIF) del laboratorio crea pulsos con un gigantesco 1.8 megajulios de energía en un esfuerzo por calentar pequeñas cápsulas de hidrógeno a temperaturas de fusión. Sin embargo, esos pulsos son comparativamente largos y aún generan solo alrededor de 1 PW de potencia.

Para llegar a poderes superiores, los científicos han recurrido al dominio del tiempo: empaquetar la energía de un pulso en duraciones cada vez más cortas. Un enfoque es amplificar la luz en cristales de zafiro dopados con titanio, que producen luz con una gran cantidad de frecuencias. En una cámara de láser reflejada, esos pulsos rebotan hacia adelante y hacia atrás, y los componentes de frecuencia individuales pueden cancelarse mutuamente durante la mayor parte de su longitud de pulso, mientras que se refuerzan mutuamente en un pulso fugaz de solo unas pocas decenas de femtosegundos de longitud. Bombee esos pulsos con unos pocos cientos de julios de energía y obtendrá 10 PW de potencia máxima. Así es como el SULF y otros láseres basados ​​en zafiro pueden romper récords de potencia con equipos que caben en una habitación grande y cuestan solo decenas de millones de dólares, mientras que NIF cuesta $ 3.5 mil millones y necesita un edificio de 10 pisos que cubra el área de tres campos de futbol.

Aumentar la potencia del pulso en otro orden de magnitud, de 10 PW a 100 PW, requerirá más hechicería. Un enfoque es aumentar la energía del pulso de cientos a miles de julios. Pero los láseres de titanio-zafiro luchan por alcanzar esas energías porque los grandes cristales necesarios para una amplificación libre de daños tienden a lase en ángulo recto con el rayo, lo que reduce la energía de los pulsos. Así que los científicos de SEL, XCELS y OPAL están depositando sus esperanzas en lo que se conoce como amplificadores paramétricos ópticos. Estos toman un pulso estirado por una rejilla óptica y lo envían a un cristal artificial "no lineal", en el que la energía de un segundo haz de "bomba" se puede canalizar al pulso. La recompresión del pulso de alta energía resultante aumenta su poder.

Para acercarse a 100 PW, una opción es combinar varios de estos pulsos: cuatro pulsos de 30 PW en el caso del SEL y una docena de pulsos de 15 PW en el XCELS. Pero precisamente los pulsos superpuestos a solo decenas de femtosegundos serán "muy, muy difíciles", dice el físico láser de LLNL Constantin Haefner. Podrían ser desviados del curso incluso por la vibración más pequeña o el cambio en la temperatura, argumenta. El OPAL, en cambio, intentará generar 75 PW con un solo haz.

Mourou visualiza una ruta diferente a 100 PW: agregar una segunda ronda de compresión de pulso. Él propone usar películas de plástico delgadas para ampliar el espectro de pulsos de láser de 10-PW, y luego exprimir los pulsos a tan solo un par de femtosegundos para aumentar su potencia a aproximadamente 100 PW.

Una vez que los constructores de láser invocan la energía, surgirá otro desafío: llevar los rayos a un foco singularmente apretado. Muchos científicos se preocupan más por la intensidad (la potencia por unidad de área) que la cantidad total de petawatts. Alcance un enfoque más nítido, y la intensidad aumenta. Si un pulso de 100 PW se puede enfocar a un punto que mide solo 3 micrómetros de ancho, como Li está planeando para el SEL, la intensidad en esa pequeña área será de 1024 vatios por centímetro cuadrado (W / cm2) -algunos 25 pedidos de magnitud, o 10 trillones de billones de veces, más intenso que la luz del sol golpeando la Tierra.

Esas intensidades abrirán la posibilidad de romper el vacío. De acuerdo con la teoría de la electrodinámica cuántica (QED), que describe cómo los campos electromagnéticos interactúan con la materia, el vacío no es tan vacío como la física clásica nos quiere hacer creer. En escalas de tiempo extremadamente cortas, pares de electrones y positrones, sus contrapartes antimateria, parpadean en la existencia, nacen de la incertidumbre de la mecánica cuántica. Debido a su atracción mutua, se aniquilan mutuamente casi tan pronto como se forman.

Pero un láser muy intenso podría, en principio, separar las partículas antes de que colisionen. Al igual que cualquier onda electromagnética, un rayo láser contiene un campo eléctrico que se mueve hacia adelante y hacia atrás. A medida que aumenta la intensidad del rayo, también lo hace la fuerza de su campo eléctrico. A intensidades alrededor de 1024 W / cm2, el campo sería lo suficientemente fuerte como para comenzar a romper la atracción mutua entre algunos de los pares electrón-positrón, dice Alexander Sergeev, ex director del Instituto de Física Aplicada de la Academia Rusa de Ciencias (RAS) ( IAP) en Nizhny Novgorod y ahora presidente de RAS. El campo láser sacudiría las partículas, lo que provocaría que emitieran ondas electromagnéticas, en este caso, rayos gamma. Los rayos gamma, a su vez, generarían nuevos pares electrón-positrones, y así sucesivamente, lo que daría como resultado una avalancha de partículas y radiación que podrían detectarse. "Esta será una física completamente nueva", dice Sergeev. Agrega que los fotones de rayos gamma serían lo suficientemente enérgicos como para empujar a los núcleos atómicos hacia estados excitados, dando paso a una nueva rama de la física conocida como "fotónica nuclear": el uso de luz intensa para controlar los procesos nucleares.

Los amplificadores para OMEGA-EP de la Universidad de Rochester, iluminados con lámparas de destellos, podrían conducir un láser de alta potencia estadounidense. UNIVERSIDAD DEL LABORATORIO DE ROCHESTER PARA ENERGETICOS LÁSER / EUGENE KOWALUK

Una forma de romper el vacío sería simplemente enfocar un único rayo láser en un lugar vacío dentro de una cámara de vacío. Pero colisionar dos haces lo hace más fácil, porque esto aumenta el impulso necesario para generar la masa de electrones y positrones. El SEL colisionaría fotones indirectamente. Primero, los pulsos expulsarían electrones de un objetivo de gas de helio. Otros fotones del rayo láser rebotarían en los electrones y se convertirían en rayos gamma de alta energía. Algunos de estos a su vez colisionarían con fotones ópticos del haz.

Documentar estas colisiones frontales de fotones sería en sí mismo un gran logro científico. Mientras que la física clásica insiste en que dos rayos de luz pasarán intactos entre sí, algunas de las primeras predicciones de la QED estipulan que los fotones convergentes se dispersan ocasionalmente uno con respecto al otro. "Las predicciones se remontan a principios de la década de 1930", dice Tom Heinzl, físico teórico de la Universidad de Plymouth en el Reino Unido. "Sería bueno si pudiéramos confirmarlos experimentalmente".

Además de hacer que los láseres sean más potentes, los investigadores también quieren hacer que disparen más rápido. Las lámparas de flash que bombean la energía inicial en muchos láseres se deben enfriar durante minutos u horas entre disparos, lo que dificulta llevar a cabo investigaciones que dependen de muchos datos, como investigar si, muy ocasionalmente, los fotones se transforman en partículas del misterioso materia oscura que se cree que forma gran parte de la masa del universo. "Lo más probable es que necesites una gran cantidad de disparos para ver eso", dice Manuel Hegelich, físico de la Universidad de Texas en Austin.

Una tasa de repetición más alta también es clave para usar un láser de alta potencia para controlar los haces de partículas. En un esquema, un haz intenso transformaría un objetivo de metal en plasma, liberando electrones que, a su vez, expulsarían protones de los núcleos en la superficie del metal. Los médicos podrían usar esos pulsos de protones para destruir cánceres, y una tasa de activación más alta facilitaría la administración del tratamiento en pequeñas dosis individuales.

Los físicos, por su parte, sueñan con aceleradores de partículas impulsados ​​por pulsos de láser de disparo rápido. Cuando un intenso pulso de láser golpea un plasma de electrones e iones positivos, empuja los electrones más ligeros hacia adelante, separando las cargas y creando un campo eléctrico secundario que arrastra los iones hacia adelante detrás de la luz como el agua en la estela de una lancha rápida. Esta "aceleración de wakefield láser" puede acelerar las partículas cargadas a altas energías en el espacio de un milímetro o dos, en comparación con muchos metros para los aceleradores convencionales. Los electrones así acelerados podrían ser movidos por imanes para crear un llamado láser de electrón libre (FEL), que genera destellos de rayos X excepcionalmente brillantes y breves que pueden iluminar fenómenos químicos y biológicos de vida corta. Un FEL con láser puede ser mucho más compacto y económico que los que funcionan con aceleradores convencionales.

A largo plazo, los electrones acelerados por pulsos de PW de alta repetición podrían reducir el costo de la máquina de los sueños de los físicos de partículas: un colisionador electrón-positrón de 30 kilómetros de longitud que sería un sucesor del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, la partícula europea laboratorio de física cerca de Ginebra, Suiza. Un dispositivo basado en un láser de 100 PW podría ser al menos 10 veces más corto y más barato que la máquina de aproximadamente 10 mil millones de dólares que ahora se prevé, dice Stuart Mangles, un físico de plasma del Imperial College de Londres.

Tanto el colisionador lineal como los FEL de disparo rápido necesitarían miles, sino millones, de disparos por segundo, mucho más allá de la tecnología actual. Una posibilidad, siendo investigado por Mourou y sus colegas, es tratar de combinar la salida de miles de amplificadores de fibra de disparo rápido, que no necesitan ser bombeados con tubos de flash. Otra opción es reemplazar los tubos de destello con láseres de diodo, que son caros, pero podrían ser más baratos con la producción en masa.

Por el momento, sin embargo, el grupo de Li en China y sus homólogos de Estados Unidos y Rusia se están concentrando en el poder. Efim Khazanov, un físico láser en IAP, dice que XCELS podría estar funcionando aproximadamente en 2026, suponiendo que el gobierno acepte el costo: aproximadamente 12 mil millones de rublos (alrededor de $ 200 millones). El OPAL, mientras tanto, sería una negociación relativa de entre $ 50 millones y $ 100 millones, dice Zuegel.

Pero es probable que el primer láser para abrir el vacío sea el SEL, en China. Un comité internacional de científicos describió en julio pasado el diseño conceptual del láser como "inequívoco y convincente", y Li espera obtener la aprobación del gobierno para obtener financiamiento -cerca de $ 100 millones- a principios de este año. Li dice que otros países no necesitan sentirse a la sombra cuando se enciende el láser más poderoso del mundo, porque el SEL funcionará como una instalación de usuario internacional. Zuegel dice que no le "gusta ser segundo", pero reconoce que el grupo chino se encuentra en una posición sólida. "China tiene mucho dinero", dice. "Y tiene mucha gente realmente inteligente. Todavía se está poniendo al día con mucha tecnología, pero se está poniendo al día rápidamente".