[Перевод] 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«, хотя этот проект недавно отложил постройку лазера мощностью в 100 ПВт. Русские физики разработали схему лазерной установки мощностью в 180 ПВт в проекте «Эксаваттного центра изучения экстремального света» (Exawatt Center for Extreme Light Studies, XCELS) [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, 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 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 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, 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, 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 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 (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».