Indleder fremtiden med gammastrålelasser

Kunne der være flere universer derude, identiske eller forskellige fra vores? Nå, det ved vi endnu ikke.  

Mens et fremtrædende koncept i MCU, Stephen Hawking’s multiverseteori, som er et hypotetisk sæt af alle universer med deres eget rum, tid, stof, energi og fysiske love, forbliver ubekræftet og kun eksisterer i filmens og den teoretiske fysiks verden.

Det, vi skal bevise eksistensen af, er en kvanteenhed. Det er simpelthen et system, der bruger kvantemekaniske effekter til at fungere, og som er afhængig af kontrol og manipulation af kvanteinteraktioner for at opnå funktioner, der ikke er mulige i klassiske systemer.

I fysik er en kvante, entalsformen af quanta, den mindste mængde af enhver fysisk enhed. For eksempel er kvanten af lys en foton.

Nu, for at afsløre universets mysterier, har vi brug for en bestemt kvanteenhed: en gammastrålelasser.

Denne hypotetiske enhed ville kunne producere koherente gammastråler, på samme måde som en almindelig laser producerer koherente stråler af synligt lys. En gammastråle (symbol γ) er en gennemtrængende form for elektromagnetisk stråling, der opstår fra højenergi-interaktioner som radioaktivt henfald af atomkerner. Den opstår også fra astronomiske begivenheder som soludbrud. 

Gammastråler består af de korteste bølgelængder af elektromagnetiske bølger, kortere end dem for røntgenstråler. De har frekvenser over 30 exahertz og bølgelængder under 10 picometer. Gammastrålefotoner har også den højeste fotonenergi af alle former for elektromagnetisk stråling.

For et par år siden opdagede videnskabsfolk de højeste energigammastråler nogensinde, 20 teraelektronvolt, hvilket er omkring ti billioner gange energien i synligt lys, fra en død stjerne kaldet en pulsar. 

Sent på året fangede astrofysikere billeder af gammastråleflare fra det supermassive sorte hul M87.

Billedkilde: University of California

Tidligere i år blev en multisensor-detektion af en intens gammastråleblitz observeret ved kollisionen af to lynledere. Det var første gang, en terrestrisk gammastråleblitz (TGF) blev observeret i synkronisering med lynets udladning.

Observeret i forskellige kosmiske fænomener, studeres og skabes gammastråler også aktivt gennem specifikke eksperimenter.

Gamma‑strålelasser‑eksperimenter og gennemførlighedsstudier

Gammastråler er en form for højenergi elektromagnetisk stråling, der er stærkt gennemtrængende og tilbyder flere fordele i forskellige felter. 

Dens potentielle anvendelser omfatter medicinsk billeddannelse, rumfartøjs fremdrift, kræftbehandling, og interstellart rejse. Givet de enorme muligheder ser forskere verden over på at skabe en gammastrålelasser, eller graser, for at producere koherente gammastråler. 

Forskere fra University of Rochester modtog føderal finansiering til dette, for hvilken de studerer gennemførligheden af koherente lyskilder.

I 1980’erne opfandt Gérard Mourou og Donna Strickland ved University of Rochester chirped pulse amplification (CPA), en teknik der øger peak‑energien af lasere og senere vandt Nobelprisen i fysik i 2018. Udviklingen af lasere, der producerer gammastråler, er dog endnu ikke opnået. For at tackle dette undersøger de koherensegenskaberne af strålingen, der udsendes når tætte elektronstråler kolliderer med et stærkt laserfelt, hvilket vil hjælpe dem med at forstå, hvordan man producerer koherente gammastråler.

“Evnen til at fremstille koherente gammastråler ville være en videnskabelig revolution i skabelsen af nye typer lyskilder, ligesom opdagelsen og udviklingen af synligt lys og røntgenkilder ændrede vores grundlæggende forståelse af den atomare verden.”

– Hovedforsøgslederen, Antonino Di Piazza & professor i fysik ved universitetet

For at studere hvordan elektroner interagerer med lasere for at udsende højenergi‑lys, vil forskerne begynde med at se på hvordan en eller to elektroner udsender lys, før de undersøger mere komplicerede situationer med mange elektroner for at producere koherente gammastråler. 

“Vi er ikke de første forskere, der har forsøgt at skabe gammastråler på denne måde,” sagde Di Piazza på det tidspunkt. “Men vi gør det ved hjælp af en fuldt kvanteteori – kvanteelektrodynamik – som er en avanceret tilgang til at løse dette problem.”

En anden tilgang til udvikling af gammastrålelasser inkluderer nukleær isomer‑eksitation. 

Et forskningspapir² fra et par måneder siden skitserede metoden til at excitere kerner af visse isotoper til en højere energitilstand. Ved brug af neutronbestråling bliver isomerkerner exciteret til metastabile isomer‑tilstande før udløsning af stimuleret udsendelse af gammastråler for at opnå koherens fra kernen.

Deres nye og “noget utraditionelle” metode sigter mod at løse ‘Graser‑dilemmaet’ ved at forskyde krystallattice under neutronbestrålingen. 

“Teknologien har potentialet til at skabe ekstremt kraftige lasere, der kan bruges i forskellige anvendelser, herunder laservåben,” bemærkede Yordan Katsarov fra Afdelingen for Luftfartsudstyr og Teknologier, som er en del af Georgi Benkovski Bulgarske Luftvåbenakademi.

Nu har forskere fra University of Colorado Denver skabt en chip, der en dag kan låse op for gammastrålelasser.

Denne banebrydende kvanteenhed, som er lille nok til at passe i din hånd, kan generere ekstreme elektromagnetiske felter, som tidligere kun var mulige i massive partikelacceleratorer. Den tommelfingerstore chip har potentialet til at erstatte mileslange partikelacceleratorer i en ikke så fjern fremtid og hjælpe os med at afsløre universets dybe mysterier, teste multivers‑teorier og skabe kraftige gammastrålelasser til at ødelægge kræftceller på atomart niveau og muliggøre andre revolutionerende medicinske behandlinger.

Swipe for at rulle →

En lille chip bringer drømme om gammastrålelasser inden for rækkevidde

Udgivet i Advanced Quantum Technologies, et tidsskrift der dækker teoretisk og eksperimentel forskning inden for kvantevidenskab, materialer og teknologier, blev den seneste undersøgelse³ fremhævet på forsiden af juniudgaven.

Som undersøgelsen bemærkede, er nanometrisk indespærring af elektromagnetisk energi mulig ved brug af plasmons.

En plasmon er en kvante af plasmaoscillation, som er en hurtig oscillation af elektronens tæthed i plasmaer eller metaller. Disse kvasi‑partikler dannes af kollektive oscillationer af ledningselektrongassen.

Og “ekstreme plasmons frigiver uovertrufne muligheder, inklusive adgang til hidtil usete Petavolt per meter felter” (PV/m‑felter), som er ekstremt høje elektriske felter, som undersøgelsen bemærkede, “åbner nye, brede muligheder, herunder inden for partikel‑fysik og fotonvidenskab gennem nanometrisk indespærring af stor‑skala elektromagnetisk energi.”

Så har forskerne udviklet en analytisk model af denne klasse af plasmons baseret på en kvante‑kinetisk ramme.

Dette seneste gennembrud blev gjort på University of Colorado Denver med det formål at revolutionere vores forståelse af fysik og kemi.

“Det er meget spændende, fordi denne teknologi vil åbne helt nye forskningsområder og have en direkte indvirkning på verden.”

– Aakash Sahai, assisterende professor i elektroteknik ved CU Denver

Sahai, sammen med Kalyan Tirumalasetty, en studerende i hans laboratorium, som arbejder på teknologien med ham, kommer tættere på at give det videnskabelige samfund et nyt værktøj til at hjælpe dem med at gøre sci‑fi til virkelighed.

“Tidligere har vi haft teknologiske gennembrud, der har drevet os fremad, såsom den sub‑atomare struktur der førte til lasere, computerchips og LED’er. Denne innovation, som også er baseret på materialvidenskab, ligger på samme linje,” tilføjede Sahai, som har en ph.d. i plasmafysik fra Duke University og en kandidatgrad i elektroteknik fra Stanford University.

Det, der er opnået i denne undersøgelse, er en måde at skabe ekstreme elektromagnetiske felter i laboratoriet, som tidligere var umuligt.

Disse elektromagnetiske felter driver alt fra vores computerchips til superpartikelacceleratorer, som accelererer og kolliderer subatomare partikler ved ekstremt høje energier for at få indsigt i materiens, energiens og universets tidlige natur. 

Det er når elektroner i et materiale vibrerer og hopper med ekstremt høje hastigheder, at disse elektromagnetiske felter skabes.

Dog kræver skabelsen af stærke nok felter til avancerede eksperimenter enorme, dyre faciliteter.

For eksempel bruger forskere, der undersøger mørk stof, maskiner som Large Hadron Collider (LHC) ved European Organization for Nuclear Research, CERN, som er verdens største partikel‑fysiklaboratorium beliggende i Schweiz. LHC er den mest kraftfulde partikelaccelerator i verden, med en 16,7‑miles (27‑kilometer) ring af superledende magneter med flere accelerationsstrukturer til at øge partikelens energi undervejs.

Udførelse af eksperimenter i sådan skala kræver massive ressourcer. Det er ikke kun meget dyrt, men kan også være meget ustabilt.

For at overvinde dette problem byggede Sahais laboratorium et silicium (Si)‑baseret, chip‑lignende materiale, på størrelse med din tommelfinger.

Silicium er en halvleder, hvis egenskaber (elektrisk ledningsevne) kan ændres ved at tilsætte urenheder (doping) og bruges til at fremstille mikrochips, der findes i hverdagsenheder som mobiltelefoner samt selvkørende biler.

Det nye chip‑lignende materiale kan håndtere højenergi‑partikelstråler og kontrollere energiflowet. Det giver også forskere og forskere adgang til elektromagnetiske felter, der produceres af vibrationerne eller oscillationerne af den kvanteelektrongas. Og alt dette opnås i et lille rum.

Den hurtige bevægelse (oscillationer) skaber de elektromagnetiske felter, mens Sahais teknik gør det muligt for materialet at håndtere den varme, der genereres af vibrationerne, og hjælper med at holde prøven stabil og intakt.

“Manipulation af så høj energistrøm mens den underliggende struktur i materialet bevares er gennembruddet. Dette teknologiske gennembrud kan gøre en reel forskel i verden. Det handler om at forstå, hvordan naturen fungerer og bruge den viden til at gøre en positiv indvirkning på verden.”

– Tirumalasetty

Deres teknologi kan potentielt krympe lange acceleratorer til en chip og give forskere mulighed for at se aktivitet som aldrig før.

Universiteten har allerede ansøgt om og opnået foreløbige patenter på teknologien, både i USA og internationalt.

De praktiske, virkelige anvendelser af teknologien vil dog tage år at realisere. 

Faktisk begyndte noget af teknologiens grundlæggende arbejde for syv år siden i 2018, da Sahai offentliggjorde sin forskning om antimaterie‑acceleratorer. Han sagde:

“Det vil tage et stykke tid, men inden for min levetid er det meget sandsynligt.”

Det sagt, har den stort potentiale i at hjælpe os med bedre at forstå, hvordan universet fungerer på det fundamentale niveau og dermed forbedre liv. Som Sahai bemærkede, kan dette også gøre gammastrålelasser til en realitet.

“Vi kunne få billeddannelse af væv ned til ikke kun cellekernen, men ned til kernen af de underliggende atomer. Det betyder, at forskere og læger ville kunne se, hvad der foregår på atomart niveau, og det kunne accelerere vores forståelse af de enorme kræfter, der dominerer på så små skalaer, samtidig med at det fører til bedre medicinske behandlinger og helbredelser,” forklarede han. “Efterhånden kunne vi udvikle gammastrålelasser til at modificere kernen og fjerne kræftceller på nano‑niveau.”

Den ‘ekstreme plasmons’-teknik, som også er titlen på undersøgelsen, kan også hjælpe os med at teste muligheden for et multivers.

Arbejdet med den lille chip er dog ikke færdigt. Både Sahai og Tirumalasetty vil nu fokusere på at forfine silicium‑chip‑materialet og laserteknikken ved SLAC National Accelerator Laboratory, en verdensklasse facilitet drevet af Stanford University og finansieret af US Department of Energy (DOE), hvor teknologien blev testet.

Simulering af det kvantemæssige vakuum med ultra‑kraftfulde lasere

Så, som vi har set, fra kosmos til laboratoriet, udvikler vores forståelse af det mest ekstreme lys i universet sig hurtigt. 

Vi har fanget gammastråleudbrud fra fjerne pulsarer, været vidne til supermassive sorte huls flare i højenergi‑glans, og endda registreret lyn‑lignende kollisioner, der producerer terrestriske gammastråleblitz. Nu lærer vi at genskabe lignende forhold her på Jorden. 

For et par måneder siden simulerede fysikere ved University of Oxford, hvordan intense laserstråler kan generere lys, hvor der ingen var, og omsatte et teoretisk koncept til virkelighed. 

Det, fysikerne har formået at gøre, er at de for første gang har skabt 3D‑simuleringer af, hvordan intense laserstråler kan påvirke og ændre det kvantemæssige vakuum.

Udgivet i Communications Physics, undersøgelsen⁴ beskriver brugen af avanceret beregningsmodellering til at simulere, hvor kraftige lasere interagerer med det kvantemæssige vakuum, og afslører i processen, hvordan fotoner hopper af hinanden og producerer nye lysstråler.

Simulationerne genskabte vakuum fire‑bølge‑mixing (FWM), et fænomen forudsagt af kvantefysik, som siger at det kombinerede elektromagnetiske felt fra tre fokuserede laserpulser kan polariserer vakuumets virtuelle elektron‑positron‑par, og producere en ny laserstråle i det, der kaldes ‘lys fra mørke’-processen. 

“Dette er ikke kun en akademisk nysgerrighed – det er et stort skridt mod eksperimentel bekræftelse af kvanteeffekter, som indtil nu primært har været teoretiske.”

– Studie‑medforfatter Peter Norreys, professor ved University of Oxford

Simulationerne blev kørt ved brug af en avanceret version af simuleringssoftware (OSIRIS), som modellerer laserstrålers interaktion med plasma eller stof.

“Vores computerprogram giver os et tidsopløst, 3D‑vindue ind i kvante‑vakuuminteraktioner, som tidligere var uden for rækkevidde. Ved at anvende vores model på et tre‑stråle‑spredningseksperiment, kunne vi fange hele spektret af kvante‑signaturer, sammen med detaljeret indsigt i interaktionsregionen og nøgle‑tids‑skalaer.”

– Zixin (Lily) Zhang, studiets hovedforfatter og doktorand ved Oxford’s Department of Physics

Disse modeller bruges af forskere til at designe virkelige eksperimenter, såsom laserformer og pulstider. Desuden kan simulationerne give nye indsigter i, hvordan selv små asymmetrier i strålegeometri kan ændre resultatet, og hvordan interaktioner udvikler sig i realtid.

Ud over at hjælpe med at planlægge fremtidige højenergi‑laser‑eksperimenter, tror teamet, at værktøjet også kan hjælpe med at søge efter tegn på hypotetiske sub‑atomare partikler som axioner, en førende kandidat til mørkt stof.

“Et bredt udvalg af planlagte eksperimenter ved de mest avancerede laserfaciliteter vil blive stærkt assisteret af vores nye beregningsmetode implementeret i OSIRIS,” sagde studie‑medforfatter Luis Silva, professor ved Instituto Superior Tecnico, University of Lisbon. “Kombinationen af ultra‑intense lasere, topmoderne detektion, banebrydende analytisk og numerisk modellering er grundlaget for en ny æra i laser‑stof‑interaktioner, som vil åbne nye horisonter for grundlæggende fysik.”

Investering i laser‑teknologi

Da en gammastrålelasser endnu ikke er realiseret, vil vi se på investeringspotentialet i et selskab, der beskæftiger sig med generel laser‑teknologi. 

L3Harris Technologies (LHX ) er en stor aktør inden for avanceret fotonik og høj‑energi lasersystemer til forsvar og rumfart. Selskabet producerer en række lasersystemer, som er kendt for deres kompakte størrelse og høje ydeevne. 

Med en markedsværdi på $50.7 billioner, handles LHX‑aktierne i øjeblikket til $272.31, op 29 % YTD. Tidligere denne måned nåede selskabets aktier et nyt højdepunkt på $280.52, op mere end 45 % siden april‑bunden. Med det er EPS (TTM) 8.96, og P/E (TTM) er 30.27.

LHX‑aktionærer kan nyde en udbytteafkast på 1.77 %.

Når det kommer til selskabets finanser, rapporterede L3Harris Technologies en omsætning på $5.4 billioner og ordrer på $8.3 billioner for Q2 2025. Selskabets driftsmargin var 10.5 % og den justerede segment‑driftsmargin var 15.9 %. Diluteret EPS var $2.44, mens en stigning på 16 % i non‑GAAP diluteret EPS satte den på $2.78.

“Vi leverede imponerende resultater for andet kvartal, ledet af en rekord‑book‑to‑bill på 1.5×, solid organisk vækst og år‑til‑år justeret segment‑driftsmarginudvidelse for det syvende kvartal i træk,” sagde administrerende direktør Christopher E. Kubasik. “Dette markerer et klart vendepunkt, med vores stærkeste top‑line vækst i seks kvartaler og betydelige fremskridt mod vores finansielle ramme for 2026.”

Kubasik bemærkede også, at forsvaret “går ind i en generations‑investeringscyklus, da USA‑ og allierede budgetter vokser hurtigt,” og i lyset af denne “accelererende” efterspørgsel er selskabets portefølje tilpasset nøgle‑vækstområder for at opnå “vedvarende profitabel vækst og langsigtet værdiskabelse.”

Seneste L3Harris Technologies (LHX) aktienyheder og udviklinger

Konklusion

Forskere og ingeniører skubber konstant grænserne for lys og stof. Sådanne fremskridt tillader nu, at gammastrålelasser bevæger sig fra blot en teori mod transformerende teknologi. Udnyttelsen af denne ekstreme form for lys kan ikke kun hjælpe med at redefinere fysik, men også omforme medicin, energi og vores forståelse af universet selv!

Klik her for en liste over top kvante‑computingselskaber.

Referencer:

1. Wada, Y., Morimoto, T., Wu, T., Wang, D., Kikuchi, H., Nakamura, Y., Yoshikawa, E., Ushio, T., & Tsuchiya, H. Nedadgående terrestrisk gammastråleblitz forbundet med kollision af lynledere. Science Advances, 11(21), eads6906, offentliggjort 21 maj 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.ads6906
2. Katsarov, Y. En ny tilgang til udvikling af gammastrålelasser. Environment. Technology. Resources. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference, 4, 467–474, offentliggjort 2025. https://doi.org/10.17770/etr2025vol4.8388
3. Sahai, A. A. Ekstreme plasmons. Advanced Quantum Technologies, offentliggjort 19 maj 2025. https://doi.org/10.1002/qute.202500037
4. Zhang, Z., Aboushelbaya, R., Ouatu, I., et al. Computermodellering af det semi‑klassiske kvante‑vakuum i 3D. Communications Physics, 8, 224, offentliggjort 5 juni 2025. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02128-8