لیزر با توان ۲ پتاوات ساخته شد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،لیزر ZEUS در دانشگاه میشیگان با دستیابی به توان ۲ پتاوات، افق‌های تازه‌ای را برای پژوهش در حوزه‌های پزشکی، امنیت ملی، علوم مواد، اخترفیزیک و فیزیک کوانتومی گشود.

مرکز لیزر ZEUS (Zettawatt Equivalent Ultrashort laser pulse System) وابسته به دانشگاه میشیگان موفق شد نخستین آزمایش رسمی خود را با توان ۲ پتاوات انجام دهد؛ توانی معادل دو کوادریلیون وات که تقریباً دو برابر قوی‌تر از هر لیزر فعال دیگر در ایالات متحده است.

به گزارش sciencedaily، این دستاورد نقطه عطفی در علم لیزر‌های پرقدرت به‌شمار می‌رود و بنا به گفته کارل کروشلنیک، مدیر مرکز علوم اپتیک فوق‌سریع ژرار مورو، آغازگر ورود پژوهش‌های آمریکا به قلمروی ناشناخته در حوزه علوم میدان‌های شدید است.

توان لحظه‌ای این لیزر بیش از ۱۰۰ برابر کل برق تولیدشده در جهان برآورد می‌شود، اما تنها در بازه‌ای بسیار کوتاه، معادل ۲۵ کوینتیلیونیم ثانیه، وجود دارد.

کاربرد‌های گسترده در علم و جامعه

لیزر ZEUS که با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) فعالیت می‌کند، یک مرکز کاربری محسوب می‌شود؛ بدین معنا که پژوهشگران از سراسر آمریکا و حتی کشور‌های دیگر می‌توانند پیشنهاد‌های آزمایشی خود را ارائه کنند تا پس از بررسی مستقل، امکان استفاده از این لیزر فراهم شود.

فرانکلین دالر، استاد فیزیک و اخترشناسی دانشگاه کالیفرنیا ایرواین و سرپرست نخستین تیم پژوهشی در این مرکز گفت: ZEUS فقط یک چکش لیزری بزرگ نیست، بلکه می‌توان پرتو‌های آن را به چندین مسیر تقسیم کرد. این موضوع باعث شده تا آمریکا دوباره به عرصه پیشرو در علوم لیزر‌های پرشدت بازگردد.

یکی از اهداف اصلی این پروژه تولید پرتو‌های الکترونی با انرژی‌هایی در سطح شتاب‌دهنده‌های ذرات بزرگ است؛ پرتو‌هایی که می‌توانند پنج تا ۱۰ برابر پرانرژی‌تر از نتایج پیشین ZEUS باشند. در این آزمایش‌ها از دو پرتو لیزری جداگانه استفاده می‌شود؛ یکی برای ایجاد مسیر راهنما و دیگری برای شتاب‌دهی به الکترون‌ها.

آزمایش‌ها شامل طراحی مجدد محفظه گازی هلیوم است که لیزر از آن عبور می‌کند. این فرآیند موجب یونیزه شدن هلیوم و تشکیل پلاسمایی می‌شود که الکترون‌ها را در شتاب‌دهی به روش موج پشتی (wakefield acceleration) همانند موج‌سواری به جلو می‌برد و امکان رسیدن به سرعت‌های بسیار بالا را فراهم می‌سازد.

گامی به سوی آزمایش‌های مقیاس زتاوات

محققان ZEUS در گام بعدی قصد دارند برخورد پرتو‌های الکترونی شتاب‌گرفته با پالس‌های لیزری مخالف را آزمایش کنند. از منظر این الکترون‌ها پالس ۳ پتاواتی لیزر مانند لیزری با توان زتاواتی (۱۰²¹ وات) به نظر می‌رسد؛ پدیده‌ای که الهام‌بخش نام کامل این مرکز بوده است.

ویچسلاو لوکین، مدیر برنامه در بخش فیزیک NSF تأکید کرد: پژوهش‌های بنیادین در مرکز ZEUS کاربرد‌های گسترده‌ای خواهند داشت؛ از جمله بهبود روش‌های تصویربرداری از بافت‌های نرم و پیشرفت فناوری‌های درمان سرطان و بیماری‌های دیگر. این مرکز فرصتی منحصر‌به‌فرد برای گسترش مرز‌های دانش و نوآوری در آمریکا فراهم می‌کند.

ساختار و فرآیند فنی ZEUS

این مرکز در فضایی به اندازه یک سالن ورزشی مدرسه قرار دارد. پالس اولیه مادون‌قرمز در گوشه‌ای از این سالن تولید و سپس با استفاده از ابزار‌های نوری ویژه کشیده می‌شود تا شدت آن کنترل گردد. پس از چهار مرحله تقویت پالس وارد محفظه خلأ می‌شود و به شکل دیسکی بسیار نازک (۸ میکرون) در می‌آید. در نهایت این پالس تا قطری معادل ۰.۸ میکرون متمرکز می‌شود تا بیشترین شدت ممکن برای آزمایش‌ها فراهم گردد.

جان نیز، پژوهشگر ارشد دانشگاه میشیگان و مسئول ساخت لیزر ZEUS گفت: این مرکز مقیاس متوسط به ما اجازه می‌دهد سریع‌تر و انعطاف‌پذیرتر از مراکز بزرگ مانند شتاب‌دهنده‌ها یا مرکز ملی احتراق عمل کنیم و میزبان ایده‌های نو از جامعه گسترده‌تری از دانشمندان باشیم.

چالش‌های مسیر و آینده ZEUS

رسیدن به توان ۲ پتاوات با چالش‌های فراوانی همراه بوده است. یکی از مهم‌ترین آنها تأمین بلور یاقوت کبود تقویت‌شده با تیتانیوم برای تقویت نهایی پالس بود. این قطعه که تقریباً ۱۸ سانتی‌متر قطر دارد، چهار و نیم سال زمان برای ساخت نیاز داشت و تنها چند نمونه از آن در جهان وجود دارد. این بلور امکان دستیابی به توان ۳ پتاوات را در آینده نزدیک فراهم خواهد کرد.

پیش‌تر نیز افزایش توان از ۳۰۰ تراوات (لیزر HERCULES) به ۱ پتاوات باعث بروز تیرگی در شبکه‌های پراش شد. بررسی‌ها نشان داد علت این تیرگی رسوب کربنی ناشی از شکستن مولکول‌ها در محفظه‌های خلأ بوده است. تیم ZEUS پس از شناسایی این مشکل روشی برای کنترل تعداد شلیک‌ها پیش از نیاز به پاک‌سازی ابداع کرد تا از آسیب بیشتر به اجزای نوری جلوگیری شود.

از زمان آغاز به کار رسمی در اکتبر ۲۰۲۳ این مرکز تاکنون میزبان ۱۱ آزمایش مستقل با حضور ۵۸ پژوهشگر از ۲۲ موسسه داخلی و بین‌المللی بوده است. تیم ZEUS در کنار اجرای پروژه‌های کاربری همچنان ارتقای سیستم را تا رسیدن به ظرفیت کامل ادامه خواهد داد.