Marcando el comienzo del futuro con láseres de rayos gamma

¿Podría haber más universos ahí fuera, idénticos o diferentes al nuestro? Bueno, aún no lo sabemos.  

Si bien es un concepto destacado en el MCU, la teoría del multiverso de Stephen Hawking, que es un conjunto hipotético de todos los universos con su propio espacio, tiempo, materia, energía y leyes físicas, sigue sin estar probada y solo existe en el ámbito de las películas y la física teórica.

Lo que necesitamos para demostrar la existencia es un dispositivo cuántico. Es simplemente un sistema que utiliza efectos mecánicos cuánticos para operar, apoyándose en el control y manipulación de interacciones cuánticas para lograr funcionalidades no posibles en los sistemas clásicos.

En física, un cuanto, la forma singular de quanta, es la cantidad mínima de cualquier entidad física. Por ejemplo, el cuanto de luz es un fotón.

Ahora, para descubrir los misterios del universo, Vamos a necesitar un dispositivo cuántico particular: un láser de rayos gamma.

Este dispositivo hipotético podría producir rayos gamma coherentes, de forma similar a cómo un láser común produce rayos coherentes de luz visible. Un rayo gamma (símbolo γ) es una forma penetrante de radiación electromagnética que surge de interacciones de alta energía, como la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos. También se origina en eventos astronómicos como las erupciones solares. 

Los rayos gamma son las ondas electromagnéticas de longitud de onda más corta, incluso más cortas que las de los rayos X. Presentan frecuencias superiores a 30 exahercios y longitudes de onda inferiores a 10 picómetros. Los fotones de rayos gamma también poseen la mayor energía fotónica de todas las formas de radiación electromagnética.

Hace un par de años, los científicos detectado los rayos gamma de mayor energía jamás vistos, 20 teraelectronvoltios, que es aproximadamente diez billones de veces la energía de la luz visible, provenientes de una estrella muerta llamada púlsar. 

Mientras tanto, a finales del año pasado, los astrofísicos capturado Imágenes de llamaradas de rayos gamma del agujero negro supermasivo M87.

Fuente de imagen:  equipo de Manejo Integrado de Plagas de la Universidad de California

A principios de este año, un sensor múltiple detectó un destello intenso de rayos gamma. era observado tras la colisión de dos líderes de rayos¹Fue la primera vez que se observó un destello de rayos gamma terrestres (TGF) en sincronización con la descarga. de un rayo.

Los rayos gamma, observados en diversos fenómenos cósmicos, también se estudian activamente y se crean a través de experimentos específicos.

Experimentos con láser de rayos gamma y estudios de viabilidad

Los rayos gamma son una forma de radiación electromagnética de alta energía que son altamente penetrantes y ofrecen varias ventajas.n diversos campos. 

Sus posibles aplicaciones incluyen imágenes médicas, propulsión de naves espaciales, el tratamiento del cáncery los viajes interestelares. Dadas sus vastas posibilidades, científicos de todo el mundo están estudiando la posibilidad de crear un láser de rayos gamma, o graser, para producir rayos gamma coherentes. 

Los científicos de la Universidad de Rochester recibieron fondos federales para hacer eso, por lo que están... Estudiando la viabilidad de fuentes de luz coherentes.

En la década de 1980, Gérard Mourou y Donna Strickland de la Universidad de Rochester inventaron amplificación de pulso chirriante (CPA), una técnica que aumenta la potencia máxima de los láseres y que posteriormente ganó el Premio Nobel de Física en 2018. Sin embargo, aún no se ha logrado desarrollar láseres que produzcan rayos gamma. Para abordar este problema, se está investigando. las propiedades de coherencia de la radiación emitida cuando densos haces de electrones chocan con un campo láser fuerte, lo que les ayudará a comprender cómo producir rayos gamma coherentes.

"“La capacidad de producir rayos gamma coherentes sería una revolución científica en la creación de nuevos tipos de fuentes de luz, similar a cómo el descubrimiento y desarrollo de la luz visible y las fuentes de rayos X cambiaron nuestra comprensión fundamental del mundo atómico”.

– El investigador principal, Antonino Di Piazza y profesor de física en la Universidad

Para estudiar cómo los electrones interactúan con los láseres para emitir luz de alta energía, los investigadores comenzarán observando cómo uno o dos electrones emiten luz antes de investigar situaciones más complicadas con muchos electrones para producir rayos gamma coherentes. 

"“No somos los primeros científicos que han intentado crear rayos gamma de esta manera”, dijo Di Piazza. En el momento. "Pero lo estamos haciendo utilizando una teoría completamente cuántica (la electrodinámica cuántica), que es un enfoque avanzado para abordar este problema."

Otro enfoque para el desarrollo de láseres de rayos gamma incluye la excitación de isómeros nucleares. 

A trabajo de investigación² Hace un par de meses, se describió el método para excitar núcleos de ciertos isótopos a un estado nuclear de mayor energía. Mediante bombardeo de neutrones, los núcleos isoméricos se excitan a estados isoméricos metaestables antes de activar la emisión estimulada de rayos gamma para lograr la coherencia del núcleo.

Su método nuevo y “algo poco convencional” pretende resolver el “dilema de Graser” desplazando la red cristalina durante el bombardeo de neutrones. 

"La tecnología tiene el potencial de crear láseres extremadamente potentes que pueden ser usado en diversas aplicaciones, incluidas las armas láser," señaló Yordan Katsarov del Departamento de Equipos y Tecnologías de Aviación, que forma parte de la Academia de la Fuerza Aérea Búlgara Georgi Benkovski.

Ahora, científicos de la Universidad de Colorado en Denver han creado un chip que algún día podría desbloquear los láseres de rayos gamma.

Este innovador dispositivo cuántico, tan pequeño que cabe en la mano, puede generar campos electromagnéticos extremos que antes solo eran posibles en colisionadores masivos de partículas. Este chip, del tamaño de un pulgar, tiene el potencial de reemplazar a los colisionadores de partículas de kilómetros de longitud en un futuro no muy lejano y ayudarnos a desentrañar los profundos misterios de nuestro universo, probar teorías del multiverso y crear potentes láseres de rayos gamma para destruir células cancerosas a nivel atómico y posibilitar otros tratamientos médicos revolucionarios.

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Un pequeño chip acerca los sueños del láser gamma

Publicado en Advanced Quantum Technologies, una revista que cubre la investigación teórica y experimental en ciencia, materiales y tecnologías cuánticas, el último estudio³ apareció en la portada de la edición de junio.

Como se señala en el estudio, el confinamiento nanométrico de la energía electromagnética es posible utilizando plasmones.

Un plasmón es un cuanto de oscilación de plasma, que Es una oscilación rápida de la densidad electrónica en plasmas o metales. Estas cuasipartículas se forman por oscilaciones colectivas del gas de electrones de la banda de conducción. 

Y “los plasmones extremos liberan posibilidades sin precedentes, incluido el acceso a campos de petavoltios por metro” (campos PV/m) sin precedentes, que son intensidades de campo eléctrico extremadamente altas, que el estudio señaló que “abren nuevas y amplias posibilidades, incluidas las de la física de partículas y las ciencias de los fotones a través del confinamiento nanométrico de energía electromagnética a gran escala”.

Los investigadores han desarrollado un modelo analítico de esta clase de plasmones basado en un marco cinético cuántico.

Este último avance se logró en la Universidad de Colorado en Denver con el objetivo de revolucionar nuestra comprensión de la física y la química.

“Es muy emocionante porque esta tecnología abrirá nuevos campos de estudio y tendrá un impacto directo en el mundo”.

– Aakash Sahai, profesor asistente de ingeniería eléctrica en CU Denver

Sahai, junto con Kalyan Tirumalasetty, un estudiante de su laboratorio que trabaja con él en la tecnología, se está acercando a proporcionar a la comunidad científica una nueva herramienta para ayudarlos a convertir la ciencia ficción en realidad.

En el pasado, hemos tenido avances tecnológicos que nos impulsaron hacia adelante, como la estructura subatómica que dio lugar a láseres, chips de computadora y LED. Esta innovación, que También se basa En cuanto a la ciencia de los materiales, va en la misma línea”, añadió Sahai. quien tiene un doctorado en física del plasma de Universidad de Duke y una maestría en ingeniería eléctrica de la Universidad de Stanford.

Que tiene sido logrado En este estudio se describe una forma de crear campos electromagnéticos extremos en el laboratorio que antes era imposible..

Estos campos electromagnéticos alimentan todo, desde nuestros chips de computadora hasta los súper colisionadores de partículas, que aceleran y hacen colisionar partículas subatómicas a energías extremadamente altas para obtener conocimientos sobre la naturaleza de la materia, la energía y el universo primitivo. 

Es cuando los electrones de un material vibran y rebotan a velocidades extremadamente altas que se forman estos campos electromagnéticos. son creados.

Sin embargo, para crear campos lo suficientemente fuertes como para realizar experimentos avanzados se necesitan instalaciones enormes y costosas.

Por ejemplo, los científicos que investigan la materia oscura utilizan máquinas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, CERN, que es El laboratorio de física de partículas más grande del mundo, ubicado en Suiza. El LHC es el acelerador de partículas más potente del mundo, que implica un anillo de 16.7 kilómetros (27 millas) de imanes superconductores con varias estructuras de aceleración para aumentar la energía de las partículas a lo largo del camino.

Realizar experimentos a tal escala requiere recursos ingentes. No solo es muy costoso, sino que también puede ser muy volátil.

Para superar este problema, el laboratorio de Sahai construyó un material similar a un chip, basado en silicio (Si), del tamaño de un pulgar.

El silicio es un semiconductor cuyas propiedades (conductividad eléctrica) pueden alterarse añadiendo impurezas (dopaje) y se utiliza para fabricar microchips que se encuentran en dispositivos de uso cotidiano como teléfonos móviles, así como en coches autónomos.

Este novedoso material, similar a un chip, puede manejar haces de partículas de alta energía y controlar el flujo de energía. También permite a los científicos e investigadores acceder a campos electromagnéticos que... son producidos Por las vibraciones u oscilaciones del gas cuántico de electrones. Y todo esto se logra en un espacio diminuto.

El movimiento rápido (oscilaciones) crea los campos electromagnéticos, mientras que la técnica de Sahai permite que el material gestione el flujo de calor generado por la vibración y ayuda a mantener la muestra estable e intacta.

Manipular un flujo de energía tan alto, preservando al mismo tiempo la estructura subyacente del material, es un gran avance. Este avance tecnológico puede generar un cambio real en el mundo. Se trata de comprender cómo funciona la naturaleza. y utilizar ese conocimiento para generar un impacto positivo en el mundo."

– Tirumalasetty

Su tecnología puede potentially reducir los colisionadores largos a un chip y permitir a los científicos ver la actividad como nunca antes.

La universidad ya ha solicitado y obtenido patentes provisionales sobre la tecnología, tanto en Estados Unidos como a nivel internacional.

Sin embargo, las aplicaciones prácticas de esta tecnología en el mundo real tardarán años en hacerse realidad. 

De hecho, parte del trabajo fundacional de la tecnología comenzó hace siete años En 2018, cuando Sahai publicó su investigación sobre aceleradores de antimateria, afirmó:

“Va a llevar un tiempo, pero durante mi vida, es muy probable que suceda”.

Una vez dicho esto, Tiene un gran potencial para ayudarnos a comprender mejor el modo en que funciona el universo en su escala fundamental y así mejorar las vidas. Como señaló Sahai, esto también podría hacer que los láseres de rayos gamma se conviertan en una realidad.

Podríamos obtener imágenes de tejido no solo hasta el núcleo de las células, sino también hasta el núcleo de los átomos subyacentes. Esto significa que científicos y médicos podrían ver qué sucede a nivel nuclear, lo que podría acelerar nuestra comprensión de las inmensas fuerzas que dominan a escalas tan pequeñas, a la vez que conduciría a mejores tratamientos y curas médicas —explicó—. Con el tiempo, podríamos desarrollar láseres de rayos gamma para modificar el núcleo y eliminar células cancerosas a escala nanométrica.

La técnica de los «plasmones extremos», que también es el título del estudio, también puede ayudarnos a probar la posibilidad de un multiverso.

Sin embargo, el trabajo en el diminuto chip no ha terminado. Tanto Sahi como Tirumalasetty se centrarán ahora en perfeccionar el material del chip de silicio y la técnica láser en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, una instalación de clase mundial operada por la Universidad de Stanford y financiada por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), donde La tecnología fue probada.

Simulación del vacío cuántico con láseres ultrapotentes

Así pues, como vimos, desde el cosmos hasta el laboratorio, nuestra comprensión de la luz más extrema del universo está evolucionando rápidamente. 

Hemos capturado explosiones de rayos gamma de púlsares distantes y hemos sido testigos de explosiones supermasivas. llamaradas de agujeros negros en un esplendor de alta energía, e incluso registró las colisiones similares a relámpagos que producen destellos gamma terrestres. Ahora, estamos aprendiendo a recrear condiciones similares aquí en la Tierra. 

Hace un par de meses, físicos de la Universidad de Oxford simularon cómo rayos láser intensos pueden generar luz donde no la había, convirtiendo un concepto teórico en una realidad. 

Lo que los físicos han conseguido es crear, por primera vez, simulaciones en 3D de cómo los rayos láser intensos pueden afectar y cambiar el vacío cuántico.

Publicado en Communications Physics, el Estudio⁴ detalles utilizando modelos computacionales avanzados para simular cómo los láseres potentes interactúan con el vacío cuántico, revelando en el proceso cómo los fotones rebotan entre sí y producen nuevos rayos de luz.

Las simulaciones recrearon la mezcla de cuatro ondas de vacío (FWM), un fenómeno predicho por la física cuántica que establece que el campo electromagnético combinado de tres pulsos láser enfocados puede polarizar los pares virtuales electrón-positrón del vacío, produciendo un nuevo rayo láser en lo que se denomina el proceso de "luz de la oscuridad". 

“Esto no es solo una curiosidad académica: es un gran paso hacia la confirmación experimental de efectos cuánticos que, hasta ahora, han sido mayoritariamente teóricos”.

– El coautor del estudio, Peter Norreys, profesor de la Universidad de Oxford

las simulaciones fueron ejecutados utilizando una versión avanzada de un software de simulación (OSIRIS), que modela el láser interacción de las vigas con plasma o materia.

Nuestro programa informático nos ofrece una ventana tridimensional con resolución temporal a las interacciones del vacío cuántico, que antes estaban fuera de nuestro alcance. Al aplicar nuestro modelo a un experimento de dispersión de tres haces, pudimos capturar la gama completa de firmas cuánticas, junto con información detallada sobre la región de interacción y las escalas de tiempo clave.

– Zixin (Lily) Zhang, autora principal del estudio y estudiante de doctorado en el Departamento de Física de Oxford

Los investigadores utilizan estos modelos para diseñar experimentos del mundo real, como formas de láser y tiempos de pulsos. Además, las simulaciones pueden proporcionar nuevos conocimientos sobre cómo incluso pequeñas asimetrías en la geometría del haz pueden cambiar el resultado y cómo progresan las interacciones en tiempo real.

Además de ayudar a planificar futuros experimentos con láser de alta energía, el equipo cree que la herramienta también puede ayudar a buscar señales de partículas subatómicas hipotéticas como los axiones, un candidato principal para la materia oscura.

“Se llevará a cabo una amplia gama de experimentos planificados en las instalaciones láser más avanzadas ser de gran ayuda «Gracias a nuestro nuevo método computacional implementado en OSIRIS», afirmó Luis Silva, coautor del estudio y profesor del Instituto Superior Técnico de la Universidad de Lisboa. «La combinación de láseres ultraintensos, detección de vanguardia y modelado analítico y numérico de vanguardia sienta las bases para una nueva era en las interacciones láser-materia, que abrirá nuevos horizontes para la física fundamental».

Invertir en tecnología láser

Dado que aún no existe un láser de rayos gamma, se ha realizadoEstudiaremos el potencial de inversión de una empresa dedicada a la tecnología láser en general. 

Tecnologías L3Harris (LHX ) es un actor importante en fotónica avanzada y sistemas láser de alta energía para defensa y aeroespacial. La empresa produce una variedad de sistemas láser, conocidos por su tamaño compacto y alto rendimiento. 

Con una capitalización bursátil de 50.7 millones de dólares, las acciones de LHX cotizan actualmente a 272.31 dólares, un 29 % más en lo que va de año. A principios de mes, las acciones de la compañía alcanzaron un nuevo máximo de 280.52 dólares, un aumento de más del 45 % desde el mínimo de abril. Con ello, su beneficio por acción (TTM) es de 8.96 y su precio/beneficio (TTM) es de 30.27.

Los accionistas de LHX podrán disfrutar de una rentabilidad por dividendo del 1.77%.

En cuanto a las finanzas de la compañía, L3Harris Technologies reportó ingresos de $5.4 mil millones y pedidos de $8.3 mil millones para el segundo trimestre de 2. El margen operativo de la compañía fue del 2025% y el margen operativo ajustado del segmento fue del 10.5%. El BPA diluido, por su parte, se situó en $15.9, mientras que un aumento del 2.44% en el BPA diluido no GAAP lo situó en $16.