Podczas przeprowadzonego właśnie eksperymentu laser ZEUS osiągnął moc 2 petawatów, co stanowi nie tylko techniczny przełom, ale także symboliczne odzyskanie przez Stany Zjednoczone pozycji w światowym wyścigu laserowym. Choć impuls trwa nieprawdopodobnie krótko, bo zaledwie 25 kwintylionowych części sekundy, to w tym momencie przekracza łączną moc wszystkich elektrowni na świecie ponad stukrotnie. Wyobraźmy to sobie jako skupienie całej globalnej produkcji energii w jednym, migającym promieniu światła.
Najpotężniejszy laser w USA
ZEUS oficjalnie stał się obecnie najpotężniejszym laserem działającym w Stanach Zjednoczonych, niemal dwukrotnie przewyższając mocą jakikolwiek inny system w kraju. Mieści się w przestrzeni porównywalnej z salą gimnastyczną, ale jego możliwości sięgają kosmicznych skali.
System rozpoczyna pracę od generowania początkowego impulsu podczerwieni w jednym rogu pomieszczenia. Specjalne kratki dyfrakcyjne rozciągają go w czasie, a po czterech etapach wzmacniania przez lasery pompujące, impuls trafia do komór próżniowych. Tam zostaje spłaszczony do dysku o grubości zaledwie 8 mikronów, co stanowi dziesiątą część grubości standardowej kartki papieru.
Strategicznа inwestycja w naukę
Projekt otrzymał finansowanie w wysokości 16 milionów dolarów od National Science Foundation, co doskonale ilustruje jego strategiczne znaczenie. Stany Zjednoczone były pionierem w tej dziedzinie, budując pierwszy laser petawatowy już w 1996 roku, ale później straciły pozycję lidera na rzecz innych graczy. Europa dysponuje obecnie dwoma laserami o mocy 10 petawatów, podczas gdy Chiny mają system 5,3-petawatowy z planami budowy jeszcze potężniejszego, 100-petawatowego giganta.
Czytaj także: Milion impulsów na sekundę rewolucjonizuje fizykę. Ten układ rozwiązuje kluczowy problem
ZEUS ma przywrócić Ameryce dominującą pozycję w tej kluczowej dziedzinie. System będzie nie tylko najpotężniejszy w kraju, ale ma również pozostać jednym z najbardziej zaawansowanych na świecie przez co najmniej kolejną dekadę, choć tempo rozwoju technologii laserowej może zweryfikować te przewidywania.
Eksperymenty z pogranicza science fiction
Obecne badania prowadzone przez zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine koncentrują się na generowaniu wiązek elektronów o energiach porównywalnych z tymi uzyskiwanymi w gigantycznych akceleratorach cząstek. Celem jest osiągnięcie 5-10 razy większej energii niż dotychczas udało się uzyskać w ZEUS.
Proces wykorzystuje dwie oddzielne wiązki laserowe oraz specjalnie zaprojektowaną komórkę gazową wypełnioną helem. Gdy impuls laserowy przelatuje przez gaz, odrywa elektrony od atomów, tworząc plazmę. Uwolnione elektrony są następnie „ciągnięte” za impulsem w procesie zwanym akceleracją śladem, co przypomina nieco surferów płynących za motorówką.
W kierunku zettawatowych mocy
Najambitniejszy eksperyment zaplanowany na ten rok zakłada zderzanie przyspieszonych elektronów z przeciwbieżnymi impulsami laserowymi. To sprawi, że 3-petawatowy laser będzie dla elektronów wydawał się zettawatowy, osiągając niewyobrażalną moc kwintyliona watów.
To właśnie to zjawisko dało nazwę całemu systemowi: Zettawatt Equivalent Ultrashort laser pulse System. Eksperyment umożliwi badanie elektrodynamiki kwantowej w ekstremalnych warunkach, gdzie teoretyczne przewidywania stają się niepewne. Naukowcy chcą zbadać między innymi zjawisko „gotowania próżni”, czyli spontaniczne pojawianie się materii i antymaterii z pozornie pustej przestrzeni.
Wyzwania techniczne i realistyczne perspektywy
Droga do osiągnięcia 2 petawatów okazała się długa i usiana wyzwaniami technicznymi. Największą przeszkodą okazał się kryształ tytanowo-szafirowy o średnicy prawie 18 centymetrów, stanowiący kluczowy element końcowego wzmacniacza. Jego produkcja zajęła cztery i pół roku.
Dodatkowym problemem technicznym było ciemnienie kratek dyfrakcyjnych spowodowane osadzaniem się węgla. Zespół musiał opracować precyzyjne procedury czyszczenia i ustalić bezpieczne odstępy czasu między konserwacjami, aby zapewnić niezawodne działanie systemu.
Otwarte podejście do nauki
Od oficjalnego otwarcia w październiku 2023 roku ZEUS funkcjonuje dzięki wsparciu NSF. Przez pierwsze 15 miesięcy działania przy mocy 1 petawata przeprowadzono 11 eksperymentów z udziałem 58 badaczy reprezentujących 22 instytucje z całego świata.
Ta otwarta formuła pozwala zespołom naukowym z różnych krajów składać propozycje badawcze, które następnie przechodzą niezależny proces selekcji. Elastyczność ZEUS jako obiektu średniej skali pozwala na szybsze dostosowywanie się do potrzeb naukowców niż w przypadku gigantycznych akceleratorów czy innych megaprojektów, co stanowi jego istotną przewagę.
Praktyczne zastosowania poza laboratorium
Potencjał ZEUS wykracza daleko poza czysto akademickie badania fizyki. W medycynie laser może przyczynić się do miniaturyzacji akceleratorów stosowanych w terapii protonowej, produkcji radioaktywnych izotopów oraz poprawy jakości obrazowania rentgenowskiego tkanek miękkich.
W obszarze bezpieczeństwa narodowego ZEUS może posłużyć do skanowania kontenerów transportowych w poszukiwaniu materiałów nuklearnych, wykorzystując wysokoenergetyczne promienie gamma do wykrywania uranu i plutonu.
Dla materiałoznawstwa system oferuje unikalne narzędzie do badania ultraszybkich zmian w materiałach, zapewniając swoisty „stroboskopowy” obraz atomów co kwadrylionową część sekundy. To może prowadzić do projektowania lepszych półprzewodników i zaawansowanych materiałów przyszłości.
Czytaj także: Laser milion razy potężniejszy od dotychczasowych. Wystarczyła jedna zmiana
W astrofizyce ZEUS umożliwi symulację dżetów emitowanych przez czarne dziury, badanie rozbłysków gamma i dynamiki pól magnetycznych w ekstremalnych warunkach podobnych do tych panujących w atmosferach gwiazd neutronowych.
ZEUS to coś więcej niż tylko laser – to swoiste okno na niezbadane obszary fizyki i technologii, które mogą zdefiniować kierunek rozwoju nauki w nadchodzących dekadach. Choć entuzjazm powinien być temperowany świadomością wyzwań technicznych i ograniczeń budżetowych, to niewątpliwie stanowi on ważny krok w amerykańskich staraniach o odzyskanie pozycji lidera w globalnym wyścigu technologicznym.