Den Weg in die Zukunft mit Gammastrahlenlasern ebnen

Könnten da draußen weitere Universen existieren, die identisch oder anders als unseres sind? Nun, das wissen wir noch nicht.  

Während ein prominentes Konzept im MCU, Stephen Hawking’s Multiversum-Theorie, das ein hypothetisches Set aller Universen mit eigenem Raum, Zeit, Materie, Energie und physikalischen Gesetzen darstellt, unbewiesen bleibt und nur im Bereich von Filmen und theoretischer Physik existiert.

Was wir nachweisen müssen, ist ein Quanten­gerät. Es ist einfach ein System, das quantenmechanische Effekte nutzt, um zu funktionieren, und sich auf die Kontrolle und Manipulation von Quanten­interaktionen stützt, um Funktionalitäten zu erreichen, die in klassischen Systemen nicht möglich sind.

In der Physik ist ein Quant, die Einzahl von Quanten, die kleinste Menge irgendeiner physikalischen Entität. Zum Beispiel ist das Quant des Lichts ein Photon.

Um nun die Geheimnisse des Universums zu enthüllen, benötigen wir ein bestimmtes Quanten­gerät: 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 aus hochenergetischen Wechselwirkungen wie dem radioaktiven Zerfall von Atomkernen entsteht. Er entsteht auch bei astronomischen Ereignissen wie Sonnenflares.

Gammastrahlen bestehen aus den kürzesten Wellenlängen elektromagnetischer Wellen, kürzer als die von Röntgenstrahlen. Sie haben Frequenzen über 30 Exahertz und Wellenlängen von weniger als 10 Pikometern. Gammastrahl‑Photonen besitzen zudem die höchste Photonenergie aller Formen elektromagnetischer Strahlung.

Vor ein paar Jahren, Wissenschaftler entdeckten die bisher energiereichsten Gammastrahlen, 20 Tera‑Elektronvolt, was etwa das Zehn‑Billionen‑fache der Energie von sichtbarem Licht entspricht, von einem toten Stern, einem Pulsar. 

Ende letzten Jahres hingegen fingen Astrophysiker fingen Bilder von Gammastrahlen‑Flare des supermassiven Schwarzen Lochs M87 ein.

Bildquelle: University of California

Anfang dieses Jahres wurde eine Mehrsensor‑Detektion eines intensiven Gammastrahl‑Blitzes bei der Kollision zweier Blitzleiter¹ beobachtet. Es war das erste Mal, dass ein terrestrischer Gammastrahl‑Blitz (TGF) synchron mit dem Entladen eines Blitzes beobachtet wurde.

Gammastrahlen, die in verschiedenen kosmischen Phänomenen beobachtet werden, werden zudem aktiv durch spezielle Experimente untersucht und erzeugt.

Gammastrahlenlaser‑Experimente und Machbarkeitsstudien

Gammastrahlen sind eine Form hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung, die stark durchdringend ist und in verschiedenen Bereichen mehrere Vorteile bietet. 

Seine potenziellen Anwendungen umfassen medizinische Bildgebung, Antrieb von Raumfahrzeugen, Krebsbehandlung und interstellare Reisen. Angesichts seiner enormen Möglichkeiten untersuchen Wissenschaftler weltweit die Herstellung eines Gammastrahlenlasers, oder Graser, um kohärente Gammastrahlen zu erzeugen. 

Wissenschaftler von der University of Rochester erhielten Bundesmittel, um das zu tun, für das sie untersuchen die Machbarkeit kohärenter Lichtquellen.

In den 1980er‑Jahren erfanden Gérard Mourou und Donna Strickland an der University of Rochester die chirped pulse amplification (CPA), eine Technik, die die Spitzenleistung von Lasern erhöht und später den Nobelpreis für Physik 2018 gewann. Die Entwicklung von Lasern, die Gammastrahlen erzeugen, ist jedoch noch nicht gelungen. Um das zu bewältigen, untersuchen sie die Kohärenzeigenschaften der Strahlung, die entsteht, wenn dichte Elektronenbündel mit einem starken Laserfeld kollidieren, was ihnen helfen wird zu verstehen, wie man kohärente Gammastrahlen erzeugt.

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

– Der leitende Forscher, Antonino Di Piazza & Professor für Physik an der Universität

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

“Wir sind nicht die ersten Wissenschaftler, die versucht haben, Gammastrahlen auf diese Weise zu erzeugen”, sagte Di Piazza damals. “Aber wir tun dies mit einer vollständig quantenmechanischen Theorie – der Quanten‑elektrodynamik – was ein fortgeschrittener Ansatz zur Lösung dieses Problems ist.”

Ein weiterer Ansatz zur Entwicklung von Gammastrahlenlasern beinhaltet die Anregung von Kernisomeren.

Eine Forschungsarbeit² von vor ein paar Monaten skizzierte die Methode, Kerne bestimmter Isotope in einen höherenergetischen Kernzustand zu bringen. Durch Neutronenbeschuss werden isomerische Kerne in metastabile isomerische Zustände angeregt, bevor die stimulierte Emission von Gammastrahlen ausgelöst wird, um Kohärenz aus dem Kern zu erreichen.

Ihre neue und “etwas unkonventionelle” Methode zielt darauf ab, das ‘Graser‑Dilemma’ zu lösen, indem das Kristallgitter während der Neutronenbeschuss verschoben wird. 

“Die Technologie hat das Potenzial, extrem leistungsstarke Laser zu schaffen, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können, einschließlich Laserwaffen,” bemerkte Yordan Katsarov von der Abteilung für Luftfahrtgeräte und -technologien, die Teil der Georgi Benkovski Bulgarischen Luftwaffenakademie ist.

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

Dieses bahnbrechende Quanten­gerät, das klein genug ist, um in die Hand zu passen, kann extreme elektromagnetische Felder erzeugen, die bisher nur in riesigen Teilchenbeschleunigern möglich waren. Der daumen­große Chip hat das Potenzial, kilometerlange Teilchenbeschleuniger in naher Zukunft zu ersetzen und uns zu helfen, die tiefen Geheimnisse unseres Universums zu entschlüsseln, Multiversum‑Theorien zu testen und leistungsstarke Gammastrahlenlaser zu erzeugen, um Krebszellen auf atomarer Ebene zu zerstören und andere revolutionäre medizinische Behandlungen zu ermöglichen.

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Ein winziger Chip bringt Gammastrahlenlaser‑Träume in greifbare Nähe

Veröffentlicht in Advanced Quantum Technologies, einer Zeitschrift, die theoretische und experimentelle Forschung in der Quantenwissenschaft, Materialien und Technologien abdeckt, wurde die neueste Studie³ auf dem Cover der Juni‑Ausgabe präsentiert.

Wie die Studie feststellt, ist die nanometrische Eindämmung elektromagnetischer Energie mittels Plasmonen möglich.

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

Und „Extreme Plasmonen entfesseln unvergleichliche Möglichkeiten, einschließlich des Zugangs zu beispiellosen Petavolt‑pro‑Meter‑Felder“ (PV/m‑Felder), die extrem hohe elektrische Feldstärken darstellen, die die Studie feststellt, „neue, weitreichende Möglichkeiten eröffnen, unter anderem in der Teilchenphysik und Photonwissenschaften durch nanometrische Eindämmung großskaliger elektromagnetischer Energie.“

Daher haben die Forscher ein analytisches Modell dieser Plasmonenklasse basierend auf einem quanten‑kinetischen Rahmen entwickelt.

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

“Es ist sehr aufregend, weil diese Technologie völlig neue Forschungsbereiche eröffnen und direkte Auswirkungen auf die Welt haben wird.”

– Aakash Sahai, Assistenzprofessor für Elektrotechnik an der CU Denver

Sahai, zusammen mit Kalyan Tirumalasetty, einem Studenten in seinem Labor, der mit ihm an der Technologie arbeitet, kommt dem Ziel näher, der wissenschaftlichen Gemeinschaft ein neues Werkzeug zu bieten, das ihnen hilft, Science‑Fiction in die Realität umzusetzen.

“In der Vergangenheit hatten wir technologische Durchbrüche, die uns vorantrieben, wie die subatomare Struktur, die zu Lasern, Computerchips und LEDs führte. Diese Innovation, die ebenfalls auf Materialwissenschaften basiert, liegt in derselben Richtung,” fügte Sahai hinzu, der einen Doktortitel in Plasmaphysik von der Duke University und einen Master in Elektrotechnik von der Stanford University besitzt.

Was in dieser Studie erreicht wurde, ist ein Weg, extreme elektromagnetische Felder im Labor zu erzeugen, was zuvor unmöglich war.

Diese elektromagnetischen Felder treiben alles an, von unseren Computerchips bis zu Super‑Teilchenbeschleunigern, die subatomare Teilchen bei extrem hohen Energien beschleunigen und kollidieren, um Einblicke in die Natur von Materie, Energie und dem frühen Universum zu gewinnen.

Wenn Elektronen in einem Material bei extrem hohen Geschwindigkeiten vibrieren und hüpfen, werden diese elektromagnetischen Felder erzeugt.

Allerdings erfordert die Erzeugung ausreichend starker Felder für fortgeschrittene Experimente riesige, teure Einrichtungen.

Zum Beispiel nutzen Wissenschaftler, die nach dunkler Materie forschen, Maschinen wie den Large Hadron Collider (LHC) der Europäischen Organisation für Kernforschung, CERN, das das weltweit größte Teilchenphysiklabor in der Schweiz ist. Der LHC ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt und umfasst einen 27‑Kilometer‑Ring (16,7 Meilen) aus supraleitenden Magneten mit mehreren Beschleunigungsstrukturen, um die Teilchenenergie zu steigern.

Experimente in diesem Ausmaß erfordern massive Ressourcen. Es ist nicht nur sehr teuer, sondern kann auch äußerst volatil sein.

Um dieses Problem zu überwinden, hat das Labor von Sahai ein siliziumbasiertes, chipähnliches Material in Daumengröße entwickelt.

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

Das neuartige chipähnliche Material kann hochenergetische Teilchenstrahlen verarbeiten und den Energiefluss steuern. Es ermöglicht Wissenschaftlern und Forschern zudem den Zugang zu elektromagnetischen Feldern, die durch die Vibrationen oder Oszillationen des quanten­elektronischen Gases erzeugt werden. Und das alles wird in einem winzigen Raum erreicht.

Die schnelle Bewegung (Oszillationen) erzeugt die elektromagnetischen Felder, während Sahais Technik es dem Material ermöglicht, den durch die Vibration erzeugten Wärmefluss zu managen und das Muster stabil und intakt zu halten.

“Die Manipulation eines solch hohen Energieflusses bei gleichzeitiger Erhaltung der zugrunde liegenden Materialstruktur ist der Durchbruch. Dieser technologische Durchbruch kann eine echte Veränderung in der Welt bewirken. Es geht darum, zu verstehen, wie die Natur funktioniert, und dieses Wissen zu nutzen, um einen positiven Einfluss auf die Welt zu haben.”

– Tirumalasetty

Ihre Technologie kann potenziell lange Beschleuniger auf einen Chip verkleinern und Wissenschaftlern ermöglichen, Aktivitäten wie nie zuvor zu beobachten.

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

Die praktischen, realen Anwendungen der Technologie werden jedoch Jahre benötigen, um realisiert zu werden. 

Tatsächlich begann ein Teil der grundlegenden Arbeit an der Technologie vor sieben Jahren im Jahr 2018, als Sahai seine Forschung zu Antimaterie‑Beschleunigern veröffentlichte. Er sagte:

“Es wird eine Weile dauern, aber innerhalb meiner Lebenszeit ist es sehr wahrscheinlich.”

Damit gesagt, hat es großes Potenzial, uns zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise des Universums auf fundamentaler Ebene zu verhelfen und damit das Leben zu verbessern. Wie Sahai bemerkte, könnte dies auch Gammastrahlenlaser zur Realität werden lassen.

“Wir könnten Gewebe bis hin zum Kern der Zellen, aber sogar bis zum Kern der zugrunde liegenden Atome abbilden. Das bedeutet, dass Wissenschaftler und Ärzte sehen könnten, was auf nuklearer Ebene geschieht, und das könnte unser Verständnis der gewaltigen Kräfte, die auf solch kleinen Skalen dominieren, beschleunigen und gleichzeitig zu besseren medizinischen Behandlungen und Heilungen führen,” erklärte er. “Schließlich könnten wir Gammastrahlenlaser entwickeln, um den Kern zu modifizieren und Krebszellen auf Nanoskala zu entfernen.”

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

Die Arbeit am winzigen Chip ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Sowohl Sahai als auch Tirumalasetty werden sich nun darauf konzentrieren, das Silizium‑Chip‑Material und die Lasertechnik am SLAC National Accelerator Laboratory zu verfeinern, einer weltweit führenden Einrichtung, die von der Stanford University betrieben und vom US‑Energieministerium (DOE) finanziert wird, wo die Technologie getestet wurde.

Simulation des Quanten‑Vakuums mit ultra‑leistungsstarken Lasern

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

Wir haben Gammastrahlenausbrüche von fernen Pulsaren erfasst, supermassive Schwarze Löcher in hochenergetischem Glanz flackern sehen und sogar die blitzähnlichen Kollisionen aufgezeichnet, die terrestrische Gammastrahlblitze erzeugen. Jetzt lernen wir, ähnliche Bedingungen hier auf der Erde nachzubilden. 

Vor ein paar Monaten simulierten Physiker der University of Oxford, wie intensive Laserstrahlen dort Licht erzeugen können, wo keines war, und verwandelten ein theoretisches Konzept in die Realität. 

Was die Physiker geschafft haben, ist, dass sie zum ersten Mal 3D‑Simulationen darüber erstellen konnten, wie intensive Laserstrahlen das Quanten‑Vakuum beeinflussen und verändern.

Veröffentlicht in Communications Physics beschreibt die Studie⁴ die Verwendung fortschrittlicher rechnerischer Modellierung, um zu simulieren, wie leistungsstarke Laser mit dem Quanten‑Vakuum interagieren, und zeigt dabei, wie Photonen aneinander abprallen und neue Lichtstrahlen erzeugen.

Die Simulationen stellten das Vakuum‑Vierwell‑Mischen (FWM) nach, ein Phänomen, das von der Quantenphysik vorhergesagt wird und besagt, dass das kombinierte elektromagnetische Feld von drei fokussierten Laserpulsen ein Vakuum‑virtuelles Elektron‑Positron‑Paar polarisiert und dabei einen neuen Laserstrahl im sogenannten „Licht‑aus‑der‑Dunkelheit“-Prozess erzeugt.

“Dies ist nicht nur eine akademische Neugier – es ist ein großer Schritt hin zur experimentellen Bestätigung von Quanteneffekten, die bisher größtenteils theoretisch waren.”

– Studienmitautor Peter Norreys, Professor an der University of Oxford

Die Simulationen wurden mit einer fortgeschrittenen Version einer Simulationssoftware (OSIRIS) durchgeführt, die die Wechselwirkung von Laserstrahlen mit Plasma oder Materie modelliert.

“Unser Computerprogramm bietet uns ein zeitaufgelöstes, 3‑D‑Fenster zu Quanten‑Vakuum‑Interaktionen, die zuvor unerreichbar waren. Durch Anwendung unseres Modells auf ein Drei‑Strahl‑Streuexperiment konnten wir das gesamte Spektrum quantenmechanischer Signaturen erfassen, zusammen mit detaillierten Einblicken in den Interaktionsbereich und die wichtigsten Zeitskalen.”

– Zixin (Lily) Zhang, Hauptautor der Studie und Doktorand an der Physikabteilung der University of Oxford

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

Neben der Unterstützung bei der Planung zukünftiger Hochenergie‑Laserexperimente glaubt das Team, dass das Werkzeug auch bei der Suche nach Anzeichen hypothetischer subatomarer Teilchen wie Axionen, einem führenden Kandidaten für dunkle Materie, helfen kann.

“Eine breite Palette geplanter Experimente an den fortschrittlichsten Lasereinrichtungen wird durch unsere neue in OSIRIS implementierte Rechenmethode erheblich unterstützt werden,” sagte Studienmitautor Luis Silva, Professor am Instituto Superior Técnico der Universität Lissabon. “Die Kombination aus ultra‑intensiven Lasern, modernster Detektion sowie fortschrittlicher analytischer und numerischer Modellierung bildet die Grundlage für eine neue Ära der Laser‑Materie‑Interaktionen, die neue Horizonte für die Grundlagenphysik eröffnen wird.”

Investitionen in Lasertechnologie

Da ein Gammastrahlenlaser noch nicht realisiert wurde, werden wir das Investitionspotenzial eines Unternehmens untersuchen, das im Bereich allgemeiner Lasertechnologie tätig ist. 

L3Harris Technologies (LHX ) ist ein wichtiger Akteur im Bereich fortschrittlicher Photonik und Hochenergie‑Lasersysteme für Verteidigung und 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 $ handeln die LHX‑Aktien derzeit bei 272,31 $, ein Anstieg von 29 % seit Jahresbeginn. Anfang dieses Monats erreichten die Aktien ein neues Hoch von 280,52 $, ein Plus von über 45 % seit dem Tief im April. Damit beträgt das EPS (TTM) 8,96 und das KGV (TTM) 30,27.

LHX‑Aktionäre können eine Dividendenrendite von 1,77 % genießen.

Bezüglich der Finanzkennzahlen meldete L3Harris Technologies für das 2. Quartal 2025 einen Umsatz von 5,4 Milliarden $ und Aufträge in Höhe von 8,3 Milliarden $. Die operative Marge des Unternehmens lag bei 10,5 % und die bereinigte Segment‑operative Marge bei 15,9 %. Das verwässerte EPS betrug 2,44 $, während ein Anstieg von 16 % beim nicht‑GAAP‑verwässerten EPS es auf 2,78 $ brachte.

“Wir haben beeindruckende Ergebnisse für das zweite Quartal erzielt, angeführt von einem Rekord‑Book‑to‑Bill‑Verhältnis von 1,5×, solidem organischem Wachstum und einer jährlichen Steigerung der bereinigten Segment‑operativen Marge für das siebte Quartal in Folge,” sagte CEO Christopher E. Kubasik. “Dies markiert einen klaren Wendepunkt, mit unserem stärksten Umsatzwachstum seit sechs Quartalen und bedeutenden Fortschritten in Richtung unseres Finanzrahmens 2026.”

Kubasik bemerkte zudem, dass die Verteidigung “einen generationenübergreifenden Investitionszyklus betritt, da die Budgets der USA und ihrer Verbündeten schnell wachsen”, und dass das Portfolio des Unternehmens angesichts dieser “beschleunigenden” Nachfrage mit den wichtigsten Wachstumsbereichen abgestimmt ist, um “nachhaltiges profitables Wachstum und langfristige Wertschöpfung” zu erreichen.

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu L3Harris Technologies (LHX) Aktien

Fazit

Wissenschaftler und Ingenieure stoßen ständig an die Grenzen von Licht und Materie. Solche Fortschritte ermöglichen es nun, dass Gammastrahlenlaser von einer reinen Theorie zu einer transformativen Technologie übergehen. Die Nutzung dieser extremen Lichtform kann nicht nur die Physik neu definieren, sondern auch Medizin, Energie und unser Verständnis des Universums selbst neu gestalten!

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Referenzen:

1. Wada, Y., Morimoto, T., Wu, T., Wang, D., Kikuchi, H., Nakamura, Y., Yoshikawa, E., Ushio, T., & Tsuchiya, H. Abwärts gerichteter terrestrischer Gammastrahl‑Blitz im Zusammenhang mit der Kollision von Blitzleitern. Science Advances, 11(21), eads6906, veröffentlicht am 21. Mai 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.ads6906
2. Katsarov, Y. Ein neuer Ansatz zur Entwicklung von Gammastrahlenlasern. Environment. Technology. Resources. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference, 4, 467–474, veröffentlicht 2025. https://doi.org/10.17770/etr2025vol4.8388
3. Sahai, A. A. Extreme Plasmonen. Advanced Quantum Technologies, veröffentlicht am 19. Mai 2025. https://doi.org/10.1002/qute.202500037
4. Zhang, Z., Aboushelbaya, R., Ouatu, I., et al. Computermodellierung des halbklassischen Quanten‑Vakuums in 3D. Communications Physics, 8, 224, veröffentlicht am 5. Juni 2025. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02128-8