Физики планируют построить лазеры огромной мощности, способные разорвать пустое пространство

Внутри тесной лаборатории в Шанхае (Китай) физик Руксин Ли [Ruxin Li] с коллегами ставят рекорды при помощи самых мощных световых импульсов, какие только видел мир. В основе их лазера под названием Шанхайская сверхинтенсивная ультрабыстрая лазерная установка (Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility, SULF) лежит единственный цилиндр из сапфира с примесью титана размером с большую тарелку. После того, как в кристалле загорается свет, он проходит через систему линз и зеркал, и превращается в импульсы невероятной мощности. В 2016 году установка достигла мощности в 5,3 ПВт (петаватт, 10¹⁵ Вт). Однако в Шанхае при каждом запуске лазера свет не гаснет. Хотя эти импульсы и чрезвычайно мощные, они также чрезвычайно короткие – каждый из них длится не более одной триллионной доли секунды. Сейчас исследователи обновляют свой лазер и надеются побить собственный рекорд уже к концу этого года, создав импульс в 10 ПВт, который в 1000 раз превышает мощность всех электросетей мира.

Но амбиции группы на этом не заканчиваются. В этом году Ли с коллегами собираются начать постройку лазера мощностью 100 ПВт, названного «Станцией экстремального света» (Station of Extreme Light, SEL). К 2023 году он должен суметь запускать импульсы в комнате, находящейся в 20 м под землёй, подвергая цели воздействию экстремальных температур и давлений, не встречающихся на Земле – это будет праздник для всех астрофизиков и материаловедов. Также лазер сможет продемонстрировать новый способ ускорять частицы, который найдёт применение в медицине и высокоэнергетической физике. Но самым интересным, по словам Ли, будет показать, как свет может вырывать электроны и их двойников из антиматерии, позитроны, из пустого пространства – это явление известно под названием «разрыва вакуума». Это станет потрясающей демонстрацией взаимозаменяемости материи и энергии, которое постулирует знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна, E = mc². Хотя ядерное оружие известно тем, что преобразует материю в огромное количество тепла и света, обратный процесс запустить не так-то просто. Но Ли говорит, что SEL справится с этим. «Это будет очень волнительно, — говорит он. – Это будет означать, что можно создать что-то из ничего».

Китайская группа учёных «определённо служит авангардом» на пути к 100 ПВт, говорит Филипп Баксбаум [Philip Bucksbaum], физик-атомщик из Стэнфордского университета. Но соперников у них хватает. В следующие несколько лет устройства мощностью в 10 ПВт должны будут заработать в Румынии и Чешской республике в качестве частей европейской исследовательской "Инфраструктуры экстремального света ^[1]", хотя этот проект недавно отложил постройку лазера мощностью в 100 ПВт. Русские физики разработали схему ^[2] лазерной установки мощностью в 180 ПВт в проекте «Эксаваттного центра изучения экстремального света» (Exawatt Center for Extreme Light Studies, XCELS ^[3]) [не просто разработали – проект уже включён в список мегапроектов 2010-2020 годов / прим. перев.], а японцы внесли предложение о создании устройства мощностью в 30 ПВт.

Учёные из США выпали из соревнования за высокие энергии, согласно исследованию, опубликованному в прошлом месяце Национальными академиями по науке, инженерному делу и медицине, группе, председателем которой был Баксбаум. Это исследование призывает Министерство энергетики США запланировать постройку хотя бы одной высокоэнергетической установки, и это даёт надежду исследователям из Рочестерского университета в Нью-Йорке, разрабатывающим планы постройки лазера на 75 ПВт, «Оптической параметрической линии усиления» (Optical Parametric Amplifier Line, OPAL). Она сможет воспользоваться преимуществами лазеров из OMEGA-EP ^[4], одного из мощнейших лазеров США. «Отчёт академий побуждает к действиям», — говорит Джонатан Зугель, возглавляющий проект OPAL.

Лазеры, изобретённые в 1960-х, используют внешнюю систему накачки, например, импульсную лампу, для возбуждения электронов в атомах материала, лежащего в основе лазера – обычно это газ, кристалл или полупроводник. Когда каждый из этих электронов возвращается обратно в невозбуждённое состояние, он испускает фотон, который в свою очередь стимулирует ещё один электрон на испускание фотона, и так далее. В отличие от расходящихся лучей света, фотоны в лазере порождают плотно упакованный поток с определённой длиной волны.

Поскольку мощность – это энергия в единицу времени, для её максимизации есть два пути: увеличить энергию лазера или уменьшить длительность импульса. В 1970-х исследователи из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) в Калифорнии сконцентрировались на первом варианте, увеличивая энергию лазера, перенаправляя лучи через дополнительные генерирующие кристаллы, состоявшие из стекла с примесью неодима. Однако луч выше определённой интенсивности может повредить усилители. Чтобы избежать этого, в Лаборатории пришлось увеличивать их размер, до десятков сантиметров в диаметре. Но в 1983 году Жерар Муро [Gerard Mourou], сейчас работающий в Политехнической школе в Париже, и его коллеги совершили прорыв. Он понял, что краткие импульсы лазера можно растянуть во времени – сделав их менее интенсивными – при помощи дифракционной решётки, распределяющий импульс по составляющим его цветам. После того, как свет усилится до более высоких энергий, его можно заново сжать при помощи второй дифракционной решётки. В результате получится более мощный импульс, не повредивший усилитель.

Усиление чирпированных импульсов ^[5] стало основой высокоэнергетических лазеров. В 1996 году оно позволило исследователям из LLNL получить первый в мире импульс мощностью в петаватт при помощи лазера Нова. С тех пор LLNL повышала энергию лазеров, пытаясь достичь ядерного синтеза. Национальный комплекс зажигания ^[6] создаёт импульсы, содержащие невероятные 1,8 МДж энергии, в попытке разогреть крохотные капсулы водорода до температур синтеза. Однако эти импульсы сравнительно длинные, и они всё равно достигают мощности не более, чем в 1 ПВт.

Чтобы увеличить мощность, учёные обратились к временной области исследований: они пытаются упаковать энергию импульса во всё более короткие промежутки времени. Один из подходов – усилить свет в сапфировых кристаллах с добавлением титана, выдающих свет с большим разбросом частот. В зеркальной камере эти импульсы, отражаясь, прыгают туда и сюда, и можно сделать так, чтобы на большей части длины импульса отдельные компоненты частот взаимно уничтожали друг друга, при этом усиливая друг друга на небольшом отрезке импульса длиной всего в несколько десятков фемтосекунд. Если накачать такие импульсы энергией в несколько сотен джоулей, можно получить пиковую мощность в 10 ПВт. Именно так SULF и другие лазеры на основе сапфира могут бить рекорды по мощности, используя оборудование, помещающееся в большой комнате, стоимостью всего в десятки миллионов долларов – при том, что Национальный комплекс зажигания стоил $3,5 млрд и занимал десятиэтажное здание площадью в три футбольных поля.

Повышение мощности импульса на порядок, с 10 ПВт до 100 ПВт, потребует ещё больше ухищрений. Один из подходов – увеличение энергии импульса с сотен до тысяч джоулей. Но лазеры на основе сапфира с титаном с трудом достигают таких энергий, поскольку крупные кристаллы, не страдающие от высоких мощностей, склонны к испусканию света под прямыми углами к лучу, таким образом, тратя энергию впустую. Поэтому учёные из проектов SEL, XCELS и OPAL возлагают надежды на оптические параметрические усилители. Они принимают импульс, растянутый дифракционной решёткой, и отправляют его в искусственный нелинейный кристалл, в котором в импульс можно направить энергию второго, накачивающего луча. Повторное сжатие получившегося высокоэнергетического импульса поднимает его энергию.

Одной из возможностей приблизиться к отметке в 100 ПВт будет комбинирование нескольких импульсов – четырёх импульсов по 30 ПВт в случае SEL и десятка импульсов в 15 ПВт в случае XCELS. Но точно наложить импульсы длительностью всего в несколько фс будет «очень, очень сложно», — говорит специалист по лазерам из LNLL Константин Хэфнер. Их может отклонить даже небольшая вибрация или изменение температуры, утверждает он. OPAL же попытается сгенерировать импульс мощностью в 75 ПВт, используя один луч.

Муро видит иной путь для достижения мощности 100 ПВт: добавление второго этапа сжатия импульса. Он предлагает использовать тонкие пластиковые плёнки для того, чтобы расширить спектр импульсов мощностью 10 ПВт, а затем сжать эти импульсы до пары фемтосекунд, чтобы резко увеличить мощность до 100 ПВт.

Когда создатели лазеров достигнут своей цели по мощности, их ждёт другая сложность: очень точная фокусировка лучей. Многие учёные больше внимания уделяют не общей мощности, а интенсивности – мощности на единицу площади. Если достичь более тонкой фокусировки, интенсивность вырастет. Если импульс в 100 ПВт получится сфокусировать на площади размером в 3 мкм, как это планирует сделать Ли на SEL, интенсивность луча в этой области достигнет невероятных 10²⁴ на см² — это на 25 порядков, или в 10 триллионов триллионов раз больше, чем у солнечного света, достигающего Земли.

Такие интенсивности откроют путь к разрыву вакуума. Согласно теории квантовой электродинамики ^[7], описывающей взаимодействие электромагнитных полей с материей, вакуум не такой уж и пустой, как утверждала классическая физика. На чрезвычайно малых масштабах времени пары электронов и позитронов появляются из ниоткуда благодаря неопределённости, присущей квантовой механике. Из-за их взаимного притяжения они почти сразу же аннигилируют друг с другом.

Но очень интенсивный лазер, в принципе, смог бы разделить эти частицы до их столкновения. Как и любая электромагнитная волна, лазерный луч содержит колеблющееся электрическое поле. С увеличением интенсивности растёт и сила электрического поля. При интенсивности порядка 10²⁴ Вт/см² поле окажется достаточно сильным для того, чтобы начать разбивать взаимное притяжение, действующее между некоторыми из электрон-позитронных пар, как говорит Александр Михайлович Сергеев ^[8], бывший директор Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде, ныне – президент РАН. Лазерное поле встряхнёт эти частицы, заставляя их испускать электромагнитные волны – в данном случае, гамма-лучи. Эти лучи будут генерировать новые электрон-позитронные пары, и так далее, что приведёт к каскаду частиц и излучения, которое можно будет обнаружить. «Это будет совершенно новая физика», — говорит Сергеев. Он добавляет, что энергии гамма-фотонов будет достаточно, чтобы перевести атомы в возбуждённое состояние, и таким образом родится новая ветвь физики, «ядерная фотоника» – использование интенсивного света для управления ядерными процессами.

Усилители OMEGA-EP в Рочестерском университете, подсвеченные импульсными лампами, могли бы подпитывать американский лазер высокой мощности

Один из способов разорвать вакуум – сфокусировать единственный лазерный луч на пустом участке в вакуумной камере. Но легче будет столкнуть два луча, поскольку это повышает значение импульса, необходимого для генерации массы для электронов и позитронов. В SEL будут сталкивать фотоны не напрямую. Сначала импульсы будут выбивать электроны из гелия. Затем другие фотоны из лазерного луча будут отражаться от электронов, и превращаться в высокоэнергетические гамма-лучи. Некоторые из них будут сталкиваться с фотонами луча.

Одна лишь фиксация таких столкновений фотонов ^[9] станет серьёзным научным достижением. Классическая физика настаивает на том, что два луча света должны проходить друг сквозь друга без сопротивления, но некоторые из ранних предсказаний квантовой электродинамики говорят о том, что сближающиеся фотоны иногда могут рассеиваться друг на друге. «Такие предсказания делались ещё в начале 1930-х, — говорит Том Хейнцл, физик-теоретик из Плимутского университета в Британии. – Было бы неплохо суметь подтвердить их экспериментально».

Кроме изготовления более мощных лазеров, исследователи также хотят, чтобы они стреляли быстрее. Импульсные лампы, накачивающие первичную энергию в лазеры, необходимо охлаждать от нескольких минут до нескольких часов между выстрелами, что усложняет проведение исследований, требующих больших объёмов данных – например, исследование случаев, в которых фотоны превращаются в загадочные частицы тёмной материи, составляющей большую часть массы Вселенной. «Скорее всего, чтобы это увидеть, вам потребуется сделать очень много выстрелов», — говорит Мануэль Хегелих, физик из Техасского университета в Остине.

Более высокая скорость повторения импульсов – ключевой момент использования высокоэнергетических лазеров для управления лучами частиц. В одной из схем интенсивный луч должен превращать металлическую цель в плазму, освобождая электроны, которые в свою очередь выбивают протоны из ядер с поверхности металла. Врачи могли бы использовать такие протоны для уничтожения раковых опухолей – а высокая скорость работы облегчала бы проведение процедур в малых и индивидуальных дозах.

Физики же мечтают об ускорителях частиц, работающих на принципе быстрых лазерных импульсов. Когда интенсивный лазерный импульс сталкивается с плазмой из электронов и положительных ионов, он проталкивает более лёгкие электроны вперёд, разделяя заряды и создавая вторичное электрическое поле, тянущее ионы вслед за светом, будто воду в кильватере катера. Такая «лазерная кильватерная волна» может ускорять заряженные частицы до высоких энергий в пространстве, ограниченном парой миллиметров – по сравнению с многометровыми обычными ускорителями. Таким образом ускоренным электронам при помощи магнитов можно передать вибрацию и создать лазер на свободных электронах ^[10] (free-electron laser, FEL), создающий исключительно яркие и краткие вспышки рентгеновских лучей, способные освещать кратковременные химические и биологические явления. FEL на лазере мог бы стать куда как более компактным и дешёвым, чем те, что работают на базе обычных ускорителей.

В долгосрочной перспективе электроны, ускоренные быстро повторяющимися импульсами лазера на мощностях порядка ПВт, могут кардинально уменьшить стоимость машины, о которой мечтают физики: 30-километрового электрон-позитронного коллайдера, который должен стать преемником Большого адронного коллайдера в ЦЕРН. Устройство на основе лазера мощностью в 100 ПВт может быть не менее, чем в 10 раз короче и дешевле, чем планируемая сейчас машина стоимостью в $10 млрд, говорит Стюарт Мэнглз, специалист по плазме в Имперском колледже Лондона.

Для линейного коллайдера и FEL потребуется делать тысячи, или даже миллионы выстрелов в секунду, что находится далеко за пределами современной технологии. Одна из возможностей, которую исследуют Муро с коллегами – попытаться скомбинировать выход тысяч быстро выстреливающих волоконных усилителей, которые не нужно накачивать импульсными лампами. Ещё один вариант – заменить импульсные лампы диодными лазерами, которые хоть и дорогие, но могут стать дешевле в массовом производстве.

Пока что группа Ли в Китае, и её соперники в России и США концентрируются на вопросах мощности. Ефим Хазанов, специалист по лазерам из ИПФ, говорит, что XCELS будет готов к 2026 году – если правительство согласиться выделить на него деньги, порядка 12 млрд рублей (около $200 млн). OPAL тем временем кажется сравнительно выгодным вариантом, его стоимость оценивается от $50 до $100 млн, как говорит Зугель.

Но первым лазером, разрывающим вакуум, скорее всего, будет китайский SEL. Международный комитет учёных в прошлом июле описал концептуальный дизайн лазера как «недвусмысленный и убедительный», и Ли надеется получить одобрение от правительства на средства в районе $100 млн уже в этом году. Ли говорит, что другие страны не должны чувствовать, будто они остаются в тени, когда включится самый мощный лазер в мире – поскольку SEL будет работать в качестве международного проекта. Зугель говорит, что ему не нравится «быть на вторых ролях», но признаёт, что позиции китайской группы сильны. «У Китая полно бабок, — говорит он, — и очень много весьма умных людей. Они пока ещё дорастают до множества технологий, но делают это быстро».

Автор: Вячеслав Голованов

Источник ^[11]