Zařízení ZEUS, které dosáhlo 2 petawattů moci, podporuje ZEUS na University of Michigan výzkum s potenciálními přínosy pro medicínu, národní bezpečnost, materiálové vědy a další oblasti.
Laserové zařízení Zeus v University of Michigan dosáhl svého prvního oficiálního experimentu na 2 Petawatts (2 kvadrillion watts), téměř zdvojnásobil špičkový sílu jakéhokoli jiného laseru, který v současné době působí ve Spojených státech.
Tento obrovský výbuch energie, který přesahuje celkovou elektřinu vyráběnou po celém světě více než 100krát, existuje pouze pro extrémně krátké rozpětí laserového pulsu, jen 25 kventilionth sekundy.
„Tento milník znamená začátek experimentů, které se přesouvají na neprozkoumané území pro americkou vysokou polní vědu,“ řekl Karl Krushelnick, ředitel Gérard Mourou Center pro ultrarychlé optickou vědu, ve kterém je Zeus.
Aplikace napříč vědou a společností
Výzkum na Zeus bude mít Aplikace v medicíně, národní bezpečnosti, materiálové vědě a astrofyziku, kromě plazma Věda a kvantová fyzika. Zeus, podporovaná americkou národní vědeckou nadací, je uživatelským zařízením – což znamená, že výzkumné týmy z celé země a na mezinárodní úrovni mohou předložit návrhy experimentů, které procházejí nezávislým výběrovým procesem.
„Jednou z velkých věcí na Zeusu je, že to není jen jedno velké laserové kladivo, ale můžete rozdělit světlo na více paprsků,“ řekl Franklin Dollar, profesor fyziky a astronomie na Kalifornské univerzitě, jehož tým provozuje první uživatelský experiment na 2 Petawatts. „Mít takový národní zdroj, který uděluje čas uživatelům, jejichž experimentální koncepty jsou nejslibnější pro rozvíjení vědeckých priorit, skutečně přináší do USA laserovou vědu s vysokou intenzitou.“
Produkce paprsků na úrovni akcelerátoru částic
Tým Dollar, který pracuje se zařízením Zeus, má za cíl generovat elektronové paprsky s energií srovnatelnými s těmi, které se vyrábějí v akcelerátorech částic, které se táhnou po stovky metrů. Tyto paprsky by nesly 5 až 10krát více energie než jakékoli dříve dosažené v Zeus.
„Naším cílem je dosáhnout vyšších elektronových energií pomocí dvou samostatných laserových paprsků – jeden na vytvoření hlavního kanálu a druhý k urychlení elektronů skrz něj,“ řekl Anatoly Maksimchuk, vědec pro výzkum UM v elektrotechnice a počítačové inženýrství, který vede vývoj experimentálních oblastí.
Část tohoto úsilí zahrnuje přepracovaný cíl. Tým rozšířil plynnou buňku, která obsahuje helium, do kterého je nasměrován laserový puls. Když puls prochází, odstraňuje elektrony z atomů a vytváří plazmu – směs volných elektronů a pozitivně nabité ionty. Osvobozené elektrony jsou poté v důsledku laserového pulsu taženy podél laserového pulsu, podobně jako surfaři, kteří jezdí na vlnách za překročení lodi, v procesu známém jako Wakefield Acceleration.
Protože světlo cestuje pomaleji přes plazmu, mohou elektrony dohnat laserový puls. S delším a méně hustým cílem mohou strávit další čas zrychlením před předjížděním pulzu, což jim umožní dosáhnout výrazně vyšších rychlostí.
Směrem k experimentům v měřítku Zettawatt
Tato demonstrace Zeusových schopností nastavuje půdu pro svůj orientační experiment, který se očekává koncem tohoto roku, ve kterém se zrychlené elektrony srazí s laserovými pulzy s kontrapragováním. Z pohledu elektronů se objeví laserový puls 3-petawatt zesílen na stupnici zettawattu. Tento jev je to, co dává Zeusovi jeho celé jméno: „Zettawatt ekvivalentní laserový pulzní pulzní systém.“
„Základní výzkum provedený v zařízení NSF Zeus má mnoho možných aplikací, včetně lepších zobrazovacích metod pro měkké tkáně a rozvoje technologie používané k léčbě rakoviny a jiných nemocí,“ řekl Vyacheslav Lukin, programový ředitel v divizi fyziky NSF, která dohlíží na projekt Zeus. „Vědci využívající jedinečné schopnosti Zeuse rozšíří hranice lidských znalostí novými způsoby a poskytnou nové příležitosti pro americké inovace a hospodářský růst.“
Zařízení Zeus se hodí do prostoru podobného velikosti jako školní gymnázium. V jednom rohu místnosti laser produkuje počáteční infračervený puls. Optická zařízení zvaná difrakční mřížka je včas natahují tak, že když lasery čerpadla vyhodí energii do pulsu, není tak intenzivní, že začne roztrhnout vzduch od sebe. Na jeho největší, puls je 12 palců napříč a několik stop dlouhý.
Po čtyřech kolech čerpacích laserů přidávající energii vstupuje puls do vakuových komor. Další sada mřížek ji zplošťuje na 12palcový disk, který je jen 8 mikronů tlustý-asi 10krát tenčí než kousek papíru tiskárny. Dokonce i při 12 palcích napříč jeho intenzita by mohla z vzduchu proměnit vzduch na plazmu, ale pak je zaostřen na 0,8 mikronů široký, aby se do experimentů přineslo maximální intenzitu.
https://www.youtube.com/watch?v=3syblssqbze
Animovaný létání laserového systému Zeus. Kredit: University of Michigan
„Jako zařízení velikosti středního stupně můžeme provozovat více hanlingji než rozsáhlá zařízení, jako jsou urychlovače částic nebo národní zapalovací zařízení,“ řekl John Nees, vědec pro výzkum UM v elektrotechnice a počítačové inženýrství, který vede laserovou konstrukci Zeus. „Tato otevřenost přitahuje nové myšlenky od širší komunity vědců.“
Výzvy při budování plné síly
Cesta na 2 Petawatts byla pomalá a opatrná. Pouhé získání kusů, které potřebují k sestavení systému, bylo těžší, než se očekávalo. Největší výzvou je safírový krystal, naplněný atomy titanu. Téměř 7 palců v průměru, je to kritická součást konečného zesilovače systému, který přináší laserový impuls k plnému výkonu.
„Krystal, který se dostaneme v létě, nás dostane na 3 Petawatts a výroba trvalo čtyři a půl roku,“ řekl Franko Bayer, projektový manažer pro Zeus. „Velikost krystalu Titanium Sapphire, který máme, je jen několik na světě.“
Mezitím, skákání z 300 terawattové síly předchozího Hercules Laser na pouhý 1 Petawatt na Zeusu, vedlo k znepokojení ztmavnutí mřížek. Nejprve museli určit příčinu: byly trvale poškozeny nebo jen zatemněny uhlíkovými uhlíky z výkonných trhajících molekul vznášejících se v nedokonalé vakuové komoře?
Když se ukázalo, že se jedná o uhlíkové ložiska, museli Nees a laserový tým zjistit, kolik laserových výstřelů by mohlo mezi čištění bezpečně běžet. Pokud by se mřížky příliš ztmavly, mohly by zkreslit laserové pulzy způsobem, který poškozuje optiku dále podél cesty.
Nakonec tým Zeus již od slavnostního otevření v říjnu 2023 strávil celkem 15 měsíců, protože stále existuje spousta vědy, která by mohla být provedena s 1 laserem Petawatt. Doposud přivítala 11 samostatných experimentů s celkem 58 experimentátory z 22 institucí, včetně mezinárodních vědců. Během příštího roku, mezi experimenty uživatelů, bude tým ZEUS nadále upgradovat systém směrem k plnému potenciálu.
Podporováno americkou národní vědeckou nadací
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
