Mit Gammastrahlenlasern in die Zukunft

Könnte es da draußen noch weitere Universen geben, die mit unserem identisch oder anders sind? Nun, das wissen wir noch nicht.  

Obwohl Stephen Hawkings Multiversum-Theorie – eine hypothetische Gesamtheit aller Universen mit eigenem Raum, eigener Zeit, eigener Materie, eigener Energie und eigenen physikalischen Gesetzen – im MCU ein prominentes Konzept ist, bleibt sie unbewiesen und existiert nur im Bereich der Filme und der theoretischen Physik.

Wir müssen die Existenz eines Quantengeräts beweisen. Es handelt sich einfach um ein System, das quantenmechanische Effekte nutzt und auf der Kontrolle und Manipulation von Quanteninteraktionen beruht, um Funktionen zu erreichen, die in klassischen Systemen nicht möglich sind.

In der Physik ist ein Quant die singuläre Form von Quanten sind die Mindestmenge einer physikalischen Einheit. Das Lichtquant ist beispielsweise ein Photon.

Um nun die Geheimnisse des Universums zu lüften, Wir werden ein besonderes Quantengerät benötigen: einen Gammastrahlenlaser.

Dieses hypothetische Gerät könnte kohärente Gammastrahlen erzeugen, ähnlich wie ein gewöhnlicher Laser kohärente Strahlen sichtbaren Lichts erzeugt. Ein Gammastrahl (Symbol γ) ist eine durchdringende Form elektromagnetischer Strahlung, die durch hochenergetische Wechselwirkungen wie den radioaktiven Zerfall von Atomkernen entsteht. Er entsteht auch bei astronomischen Ereignissen wie Sonneneruptionen. 

Gammastrahlen bestehen aus elektromagnetischen Wellen mit der kürzesten Wellenlänge, kürzer als Röntgenstrahlen. Ihre Frequenzen liegen über 30 Exahertz und ihre Wellenlängen unter 10 Pikometern. Gammastrahlenphotonen haben zudem die höchste Photonenenergie aller Formen elektromagnetischer Strahlung.

Vor ein paar Jahren haben Wissenschaftler erkannt die Gammastrahlen mit der höchsten Energie aller Zeiten, 20 Teraelektronenvolt, was etwa dem Zehn-Billionen-Fachen der Energie des sichtbaren Lichts entspricht, von einem toten Stern, einem sogenannten Pulsar. 

Ende letzten Jahres haben Astrophysiker gefangen Bilder von Gammastrahlenausbrüchen des supermassiven Schwarzen Lochs M87.

Bildquelle: University of California

Anfang des Jahres wurde durch die Multisensor-Erkennung eines intensiven Gammastrahlenblitzes wurde beobachtet bei der Kollision zweier Blitzleiter¹Es war das erste Mal, dass ein terrestrischer Gammablitz (TGF) synchron mit der Entladung beobachtet wurde des Blitzes.

Gammastrahlen werden bei verschiedenen kosmischen Phänomenen beobachtet und auch aktiv untersucht und durch spezielle Experimente erzeugt.

Gammastrahlenlaser-Experimente und Machbarkeitsstudien

Gammastrahlen sind eine Form hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung, die sehr durchdringend sind und mehrere Vorteile bieten iin verschiedenen Bereichen. 

Zu seinen potenziellen Anwendungen zählen die medizinische Bildgebung, der Antrieb von Raumfahrzeugen, Krebsbehandlungund interstellare Reisen. Angesichts der enormen Möglichkeiten arbeiten Wissenschaftler auf der ganzen Welt an der Entwicklung eines Gammastrahlenlasers oder Grasers zur Erzeugung kohärenter Gammastrahlen. 

Wissenschaftler der Universität Rochester erhielten dafür Bundesmittel, für die sie Untersuchung der Machbarkeit kohärenter Lichtquellen.

In den 1980er Jahren erfanden Gérard Mourou und Donna Strickland an der Universität Rochester gezirpte Pulsverstärkung (CPA), eine Technik zur Erhöhung der Spitzenleistung von Lasern, die später mit dem Nobelpreis für Physik 2018 ausgezeichnet wurde. Die Entwicklung von Lasern, die Gammastrahlen erzeugen, ist jedoch noch nicht erreicht. Um dieses Ziel zu erreichen, untersuchen sie die Kohärenzeigenschaften der Strahlung, die entsteht, wenn dichte Elektronenpakete mit einem starken Laserfeld kollidieren, Dies wird ihnen helfen zu verstehen, wie kohärente Gammastrahlen erzeugt werden.

"Die Fähigkeit, kohärente Gammastrahlen zu erzeugen, wäre eine wissenschaftliche Revolution bei der Schaffung neuer Arten von Lichtquellen, ähnlich wie die Entdeckung und Entwicklung von sichtbarem Licht und Röntgenquellen unser grundlegendes Verständnis der atomaren Welt verändert hat.“

– Der leitende Ermittler, Antonino Di Piazza und Professor für Physik an der Uni

Um zu untersuchen, wie Elektronen mit Lasern interagieren und dabei hochenergetisches Licht aussenden, werden die Forscher zunächst untersuchen, wie ein oder zwei Elektronen Licht aussenden, bevor sie kompliziertere Situationen mit vielen Elektronen untersuchen, um kohärente Gammastrahlen zu erzeugen. 

"Wir sind nicht die ersten Wissenschaftler, die versucht haben, auf diese Weise Gammastrahlen zu erzeugen“, sagte Di Piazza zu der Zeit. "Dabei verwenden wir jedoch eine reine Quantentheorie – die Quantenelektrodynamik –, die einen fortschrittlichen Ansatz zur Lösung dieses Problems darstellt."

Ein weiterer Ansatz zur Entwicklung von Gammastrahlenlasern umfasst die Kernisomerenanregung. 

A Forschungsarbeit² von vor einigen Monaten wurde die Methode beschrieben, mit der Kerne bestimmter Isotope in einen energiereicheren Kernzustand angeregt werden können. Durch Neutronenbeschuss werden isomere Kerne in metastabile isomere Zustände angeregt, bevor die stimulierte Emission von Gammastrahlen ausgelöst wird, um Kohärenz vom Kern zu erreichen.

Ihre neue und „etwas unkonventionelle“ Methode zielt darauf ab, das „Graser-Dilemma“ zu lösen, indem das Kristallgitter während des Neutronenbeschusses verschoben wird. 

"Die Technologie hat das Potenzial, extrem leistungsstarke Laser zu erzeugen, die verwendet werden in verschiedenen Anwendungen, einschließlich Laserwaffen,“, bemerkte Yordan Katsarov von der Abteilung für Luftfahrtausrüstung und -technologien, die Teil der Georgi-Benkovski-Akademie der bulgarischen Luftwaffe ist.

Nun haben Wissenschaftler der University of Colorado Denver einen Chip entwickelt, der eines Tages Gammastrahlenlaser freisetzen könnte.

Dieses bahnbrechende Quantengerät, das so klein ist, dass es in Ihre Hand passt, kann extreme elektromagnetische Felder erzeugen, die bisher nur in massiven Teilchenbeschleunigern möglich waren. Der daumengroße Chip hat das Potenzial, in nicht allzu ferner Zukunft kilometerlange Teilchenbeschleuniger zu ersetzen und uns dabei zu helfen, die tiefen Geheimnisse unseres Universums zu entschlüsseln, Multiversum-Theorien zu testen und leistungsstarke Gammastrahlenlaser zu entwickeln, die Krebszellen auf atomarer Ebene zerstören und andere revolutionäre medizinische Behandlungen ermöglichen.

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Ein winziger Chip bringt Gammalaser-Träume in Reichweite

Veröffentlicht in Advanced Quantum Technologies, einer Zeitschrift über theoretische und experimentelle Forschung in Quantenwissenschaft, Materialien und Technologien, die neueste Studie³ war auf dem Cover der Juni-Ausgabe abgebildet.

Wie in der Studie festgestellt wurde, ist eine nanometrische Begrenzung elektromagnetischer Energie durch Plasmonen möglich.

Ein Plasmon ist ein Quant der Plasmaschwingung, das ist eine schnelle Schwingung der Elektronendichte in Plasmen oder Metallen. Diese Quasiteilchen werden durch kollektive Schwingungen des Elektronengases im Leitungsband gebildet. 

Und „extreme Plasmonen eröffnen beispiellose Möglichkeiten, darunter den Zugang zu beispiellosen Petavolt-pro-Meter-Feldern“ (PV/m-Feldern), also extrem hohen elektrischen Feldstärken, die, wie die Studie feststellte, „neue, weitreichende Möglichkeiten eröffnen, unter anderem in der Teilchenphysik und den Photonenwissenschaften durch die nanometrische Eingrenzung elektromagnetischer Energie im großen Maßstab.“

Daher haben die Forscher ein analytisches Modell dieser Plasmonenklasse entwickelt, das auf einem quantenkinetischen Rahmen basiert.

Dieser jüngste Durchbruch wurde an der University of Colorado Denver mit dem Ziel, unser Verständnis von Physik und Chemie zu revolutionieren.

„Das ist sehr spannend, denn diese Technologie wird völlig neue Forschungsfelder eröffnen und einen direkten Einfluss auf die Welt haben.“

– Aakash Sahai, Assistenzprofessor für Elektrotechnik an der CU Denver

Sahai und Kalyan Tirumalasetty, ein Student in seinem Labor, der mit ihm an der Technologie arbeitet, sind dabei, der wissenschaftlichen Gemeinschaft ein neues Werkzeug zur Verfügung zu stellen, mit dem sie Science-Fiction in die Realität umsetzen können.

„In der Vergangenheit gab es technologische Durchbrüche, die uns voranbrachten, wie zum Beispiel die subatomare Struktur, die zu Lasern, Computerchips und LEDs führte. Diese Innovation, die basiert auch auf Materialwissenschaften, geht in die gleiche Richtung“, fügte Sahai hinzu, der einen Doktortitel in Plasmaphysik besitzt von Duke University und einen Master-Abschluss in Elektrotechnik von der Stanford University.

Was hat erreicht wurde In dieser Studie wird eine Möglichkeit beschrieben, im Labor extreme elektromagnetische Felder zu erzeugen, die bisher nicht möglich waren..

Diese elektromagnetischen Felder versorgen alles mit Energie, von unseren Computerchips bis hin zu Superteilchenbeschleunigern, die subatomare Teilchen bei extrem hohen Energien beschleunigen und kollidieren lassen, um Erkenntnisse über die Natur von Materie, Energie und dem frühen Universum zu gewinnen. 

Wenn Elektronen in einem Material mit extrem hoher Geschwindigkeit vibrieren und springen, entstehen diese elektromagnetischen Felder erstellt werden.

Um jedoch ausreichend starke Felder für die Durchführung komplexer Experimente zu erzeugen, sind riesige und teure Anlagen erforderlich.

Wissenschaftler, die sich mit dunkler Materie beschäftigen, verwenden beispielsweise Maschinen wie den Large Hadron Collider (LHC). bei der Europäischen Organisation für Kernforschung, CERN, die das weltweit größte Teilchenphysiklabor in Schweiz. LHC ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, Dabei handelt es sich um einen 16.7 Kilometer langen Ring aus supraleitenden Magneten mit mehreren Beschleunigungsstrukturen, die die Energie der Teilchen auf dem Weg dorthin erhöhen.

Die Durchführung von Experimenten in diesem Umfang erfordert enorme Ressourcen. Sie ist nicht nur sehr teuer, sondern kann auch äußerst volatil sein.

Um dieses Problem zu lösen, hat Sahais Labor ein chipähnliches Material auf Siliziumbasis (Si) in der Größe Ihres Daumens entwickelt.

Silizium ist ein Halbleiter, dessen Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit) durch Hinzufügen von Verunreinigungen (Dotierung) verändert werden können und der zur Herstellung von Mikrochips verwendet wird, die in Alltagsgeräten wie Mobiltelefonen und selbstfahrenden Autos zu finden sind.

Das neuartige chipartige Material kann hochenergetische Teilchenstrahlen verarbeiten und den Energiefluss steuern. Es ermöglicht Wissenschaftlern und Forschern außerdem den Zugang zu elektromagnetischen Feldern, die werden produziert durch die Vibrationen oder Schwingungen des Quantenelektronengases. Und das alles auf kleinstem Raum.

Die schnellen Bewegungen (Schwingungen) erzeugen die elektromagnetischen Felder, während Sahais Technik es dem Material ermöglicht, den durch die Vibration erzeugten Wärmefluss zu bewältigen und dazu beiträgt, die Probe stabil und intakt zu halten.

„Die Manipulation eines so hohen Energieflusses unter Beibehaltung der zugrunde liegenden Struktur des Materials ist ein Durchbruch. Dieser technologische Durchbruch kann die Welt wirklich verändern. Es geht darum zu verstehen, wie die Natur funktioniert. und dieses Wissen zu nutzen, um die Welt positiv zu beeinflussen."

- Tirumalasetty

Ihre Technologie kann möglicherweise Verkleinern Sie lange Kollider auf einen Chip und ermöglichen Sie Wissenschaftlern, Aktivitäten wie nie zuvor zu beobachten.

Die Universität hat bereits vorläufige Patente auf die Technologie sowohl in den USA als auch international beantragt und erhalten.

Bis die Technologie in der Praxis Anwendung findet, wird es allerdings noch Jahre dauern. 

Tatsächlich begannen einige der grundlegenden Arbeiten dieser Technologie vor sieben Jahren im Jahr 2018, als Sahai seine Forschungsergebnisse zu Antimateriebeschleunigern veröffentlichte. Er sagte:

„Es wird eine Weile dauern, aber es ist sehr wahrscheinlich, dass es noch zu meinen Lebzeiten passiert.“

Having said that, Es hat großes Potenzial, uns dabei zu helfen, die Funktionsweise des Universums im fundamentalen Maßstab besser zu verstehen und so das Leben zu verbessern. Wie Sahai anmerkte, könnten dadurch auch Gammastrahlenlaser Wirklichkeit werden.

„Wir könnten Gewebe nicht nur bis zum Zellkern abbilden, sondern bis in den Kern der darunterliegenden Atome. Das bedeutet, dass Wissenschaftler und Ärzte sehen könnten, was auf nuklearer Ebene vor sich geht. Das könnte unser Verständnis der immensen Kräfte, die auf so kleinen Skalen vorherrschen, beschleunigen und gleichzeitig zu besseren medizinischen Behandlungen und Heilmitteln führen“, erklärte er. „Schließlich könnten wir Gammastrahlenlaser entwickeln, um den Zellkern zu modifizieren und Krebszellen auf Nanoebene zu entfernen.“

Die „Extreme Plasmons“-Technik, die auch der Titel der Studie ist, kann uns auch dabei helfen, die Möglichkeit eines Multiversums zu testen.

Die Arbeit an dem winzigen Chip ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Sowohl Sahi als auch Tirumalasetty werden sich nun auf die Verfeinerung des Siliziumchip-Materials und der Lasertechnik im SLAC National Accelerator Laboratory konzentrieren, einer erstklassigen Einrichtung der Stanford University, die vom US-Energieministerium finanziert wird. Die Technologie wurde getestet.

Simulation des Quantenvakuums mit ultrastarken Lasern

Wie wir gesehen haben, entwickelt sich unser Verständnis des extremsten Lichts im Universum vom Kosmos bis ins Labor rasant weiter. 

Wir haben Gammastrahlenausbrüche von weit entfernten Pulsaren eingefangen, supermassive Schwarze Löcher flammen auf in energiereicher Pracht und zeichnete sogar die blitzartigen Kollisionen auf, die terrestrische Gammablitze erzeugen. Jetzt lernen wir, ähnliche Bedingungen hier auf der Erde nachzubilden. 

Vor einigen Monaten simulierten Physiker der Universität Oxford, wie intensive Laserstrahlen Licht dort erzeugen können, wo es keines gibt, und machten damit ein theoretisches Konzept zur Realität. 

Den Physikern ist es gelungen, erstmals 3D-Simulationen zu erstellen, die zeigen, wie intensive Laserstrahlen das Quantenvakuum beeinflussen und verändern können.

Veröffentlicht in Communications Physics, dem Studie⁴ Mithilfe fortschrittlicher Computermodelle werden Details simuliert, wie leistungsstarke Laser mit dem Quantenvakuum interagieren. Dabei wird enthüllt, wie Photonen voneinander abprallen und neue Lichtstrahlen erzeugen.

Die Simulationen stellten die Vierwellenmischung (FWM) im Vakuum nach, ein von der Quantenphysik vorhergesagtes Phänomen, das besagt, dass das kombinierte elektromagnetische Feld dreier fokussierter Laserpulse die virtuellen Elektron-Positron-Paare eines Vakuums polarisieren kann, wodurch im sogenannten „Licht aus der Dunkelheit“-Prozess ein neuer Laserstrahl erzeugt wird. 

„Dies ist nicht nur eine akademische Kuriosität – es ist ein wichtiger Schritt hin zur experimentellen Bestätigung von Quanteneffekten, die bisher überwiegend theoretischer Natur waren.“

– Co-Autor der Studie, Peter Norreys, Professor an der Universität Oxford

Die Simulationen wurden ausgeführt mithilfe einer erweiterten Version einer Simulationssoftware (OSIRIS), die Laser modelliert Wechselwirkung der Strahlen mit Plasma oder Materie.

„Unser Computerprogramm bietet uns ein zeitaufgelöstes dreidimensionales Fenster zu Quantenvakuum-Wechselwirkungen, die bisher unerreichbar waren. Durch die Anwendung unseres Modells auf ein Dreistrahl-Streuexperiment konnten wir die gesamte Bandbreite der Quantensignaturen erfassen und detaillierte Einblicke in den Wechselwirkungsbereich und die wichtigsten Zeitskalen gewinnen.“

– Zixin (Lily) Zhang, Hauptautorin der Studie und Doktorandin am Fachbereich Physik in Oxford

Diese Modelle werden von Forschern verwendet, um reale Experimente zu entwerfen, beispielsweise Laserformen und Pulszeiten. Darüber hinaus können die Simulationen neue Erkenntnisse darüber liefern, wie selbst kleine Asymmetrien in der Strahlgeometrie das Ergebnis verändern können und wie Interaktionen in Echtzeit ablaufen.

Das Team ist davon überzeugt, dass das Tool nicht nur bei der Planung zukünftiger Hochenergielaserexperimente helfen kann, sondern auch bei der Suche nach Anzeichen hypothetischer subatomarer Teilchen wie Axionen, einem führenden Kandidaten für dunkle Materie.

„Eine breite Palette geplanter Experimente an den modernsten Laseranlagen wird sehr unterstützt werden „Die Ergebnisse unserer neuen, in OSIRIS implementierten Rechenmethode werden durch unsere neue, in OSIRIS implementierte Rechenmethode ermöglicht“, sagte der Co-Autor der Studie, Luis Silva, Professor am Instituto Superior Tecnico der Universität Lissabon. „Die Kombination aus ultraintensiven Lasern, modernster Detektion und hochmoderner analytischer und numerischer Modellierung bildet die Grundlage für eine neue Ära der Laser-Materie-Wechselwirkungen, die der Grundlagenphysik neue Horizonte eröffnen wird.“

In Lasertechnologie investieren

Da ein Gammastrahlenlaser noch nicht realisiert wordenwerden wir das Investitionspotenzial eines Unternehmens untersuchen, das sich mit allgemeiner Lasertechnologie beschäftigt. 

L3Harris Technologies (LHX ) ist ein wichtiger Akteur im Bereich fortschrittlicher Photonik und Hochenergie-Lasersysteme für die Verteidigung sowie die Luft- und Raumfahrt. Das Unternehmen produziert eine Vielzahl von Lasersystemen, die für ihre kompakte Größe und hohe Leistung bekannt sind. 

Mit einer Marktkapitalisierung von 50.7 Milliarden US-Dollar notieren die LHX-Aktien derzeit bei 272.31 US-Dollar, ein Plus von 29 % seit Jahresbeginn. Erst Anfang dieses Monats erreichte die Aktie des Unternehmens mit 280.52 US-Dollar einen neuen Höchststand und stieg damit seit dem Tiefststand im April um mehr als 45 %. Damit liegt der Gewinn pro Aktie (TTM) bei 8.96 und das KGV (TTM) bei 30.27.

LHX-Aktionäre können sich über eine Dividendenrendite von 1.77 % freuen.

Was die Finanzzahlen des Unternehmens betrifft, meldete L3Harris Technologies für das zweite Quartal 5.4 einen Umsatz von 8.3 Milliarden US-Dollar und einen Auftragseingang von 2 Milliarden US-Dollar. Die operative Marge des Unternehmens lag bei 2025 %, die bereinigte operative Marge des Segments bei 10.5 %. Der verwässerte Gewinn pro Aktie belief sich auf 15.9 US-Dollar, während der verwässerte Gewinn pro Aktie (Non-GAAP) um 2.44 % auf 16 US-Dollar stieg.