Tulevaisuuden avaaminen gammasäde-lasereilla

Voisiko olla lisää universumeja siellä, identtisiä tai erilaisia kuin oma? No, emme vielä tiedä.  

Vaikka se on merkittävä käsite MCU:ssa, Stephen Hawkingin multiversumiteoria, joka on hypoteettinen joukko kaikista universumeista, joilla on omat avaruutensa, aikansa, aineensa, energiansa ja fysikaaliset lakinsa, on edelleen todistamaton, ja se on olemassa vain elokuvien ja teoreettisen fysiikan alalla.

Mitä meidän täytyy todistaa, on kvanttilaite. Se on yksinkertaisesti järjestelmä, joka käyttää kvanttimekaanisia vaikutuksia toiminnassaan, luottaen kvanttivuorovaikutusten hallintaan ja manipulointiin saavuttaakseen toimintoja, joita klassisissa järjestelmissä ei ole mahdollista.

Fysiikassa kvantti, kvanttien yksikkömuoto, on minkä tahansa fyysisen kohteen vähimmäismäärä. Esimerkiksi valon kvantti on fotoni.

Nyt, jotta voimme paljastaa universumin mysteerejä, tarvitsemme tietyn kvanttilaite: gammasäde-laserin.

Tämä hypoteettinen laite pystyisi tuottamaan koherentteja gammasäteitä, aivan kuten tavallinen laser tuottaa koherentteja näkyvän valon säteitä. Gammasäde (symboli γ) on läpäisevä sähkömagneettisen säteilyn muoto, joka syntyy korkea-energiavuorovaikutuksista, kuten atomiytimen radioaktiivisesta hajoamisesta. Se syntyy myös tähtitieteellisistä tapahtumista, kuten aurinkopurkaisuista. 

Gammasäteet koostuvat lyhimmän aallonpituuden sähkömagneettisista aaltoista, lyhyempiä kuin röntgensäteet. Niillä on taajuuksia yli 30 exahertsiä ja aallonpituuksia alle 10 pikometriä. Gammasäde-fotonit omaavat myös suurimman fotonien energian kaikista sähkömagneettisen säteilyn muodoista.

Muutama vuosi sitten tiedemiehet havaitsivat korkeimman energian gammasäteet koskaan, 20 teraelektronivolttia, mikä on noin kymmenen biljoonaa kertaa näkyvän valon energia, kuolleesta tähdestä, pulsaarista. 

Viime vuoden lopulla astrofysiikot tallensivat kuvia gammasädepurkauksista supermassiiviselta mustalta aukolta M87.

Kuvan lähde: University of California

Aikaisemmin tänä vuonna monisensorinen havainto intensiivisestä gammasädevälähdyksestä was observedkahden salaman johtajan törmäyksen yhteydessä¹. Se oli ensimmäinen kerta, kun maapallon gammasädevälähdys (TGF) havaittiin samanaikaisesti salamointipurkausten purkauksen kanssa.

Havaittu erilaisissa kosmisissa ilmiöissä, gammasäteitä tutkitaan myös aktiivisesti ja niitä luodaan erityisissä kokeissa.

Gammasäde-laserikokeet ja toteutettavuustutkimukset

Gammasäteet ovat korkea-energiainen sähkömagneettinen säteily, joka on erittäin läpäisevä ja tarjoaa useita etuja eri aloilla. 

Sen mahdolliset sovellukset sisältävät lääketieteellisen kuvantamisen, avaruusalusten propulsio, syöpälääkintä, ja tähtienvälinen matka. Ottaen huomioon sen valtavat mahdollisuudet, tiedemiehet ympäri maailmaa tutkivat gammasäde-laserin, tai graserin, valmistamista koherenttien gammasäteiden tuottamiseksi. 

Rochesteren yliopiston tiedemiehet saivat liittovaltion rahoitusta tähän, ja he tutkivat koherenssilähteiden toteutettavuutta.

1980-luvulla Gérard Mourou ja Donna Strickland Rochesteren yliopistossa keksivät chirped pulse amplification (CPA) -tekniikan, joka lisää laserien huipputehoa ja voitti myöhemmin vuoden 2018 Nobelin fysiikassa. Kuitenkin gammasäteitä tuottavien laserien kehittäminen on vielä saavuttamatta. Tämän ratkaisemiseksi he tutkivat säteilyn koherenssipiirteitä, jotka syntyvät, kun tiheät elektronipaketit törmäävät voimakkaan laserikentän kanssa, mikä auttaa heitä ymmärtämään, miten koherenssisia gammasäteitä voidaan tuottaa.

“Kyky tuottaa koherenssisia gammasäteitä olisi tieteellinen vallankumous uusien valolähteiden luomisessa, samoin kuin näkyvän valon ja röntgensäteiden löytäminen muutti perustavanlaatuista ymmärrystämme atomimaailmasta.”

– Päätutkija, Antonino Di Piazza & fysiikan professori yliopistossa

Tutkiakseen, miten elektronit vuorovaikuttavat laserien kanssa ja säteilevät korkea-energiavaloa, tutkijat aloittavat tarkastelemalla, miten yksi tai kaksi elektronia säteilee valoa ennen kuin siirtyvät monimutkaisempiin tilanteisiin, joissa on paljon elektroneja koherenssisten gammasäteiden tuottamiseksi. 

“Emme ole ensimmäiset tiedemiehet, jotka ovat yrittäneet luoda gammasäteitä tällä tavalla, sanoi Di Piazza silloin. “Mutta teemme sen käyttäen täysin kvanttiteoriaa—kvanttielektrodynamiikkaa—joka on edistynyt lähestymistapa tämän ongelman ratkaisemiseksi.“

Toinen lähestymistapa gammasäde-laserien kehittämiseen sisältää ydinisomeerin eksitaation. 

A tutkimuspaperi² muutama kuukausi sitten esitteli menetelmän, jossa tietyt isotooppien ytimet eksitoidaan korkeampaan ydinenergiaan. Neutronisuihkun avulla isotooppiytimet eksitoidaan metastabisiin tilaan ennen kuin laukaistaan stimuloitu gammasäde-emissio koherenssin saavuttamiseksi ytimestä.

Heidän uusi ja “jossain määrin epätavallinen” menetelmänsä pyrkii ratkaisemaan ’Graser‑dilemma’n siirtämällä kiteisen verkoston neutronisuihkun aikana. 

“Teknologialla on potentiaalia luoda äärimmäisen voimakkaita laseja, joita voidaan käyttää erilaisissa sovelluksissa, mukaan lukien laseraseet,” huomautti Yordan Katsarov Ilmailulaitteiden ja -teknologioiden osastolta, joka on osa Georgi Benkovskin bulgaarista ilmavoimakoulua.

Nykyään Colorado Denvern yliopiston tiedemiehet ovat luoneet sirun, joka voisi jonain päivänä avata gammasäde-laserit.

Tämä mullistava kvanttilaite, joka on niin pieni, että se mahtuu käteen, voi tuottaa äärimmäisiä sähkömagneettisia kenttiä, jotka aiemmin olivat mahdollisia vain massiivisissa hiukkaskiihdyttimissä. Sormenkokoisella sirulla on potentiaalia korvata maille pitkät hiukkaskiihdyttimet lähitulevaisuudessa ja auttaa meitä ratkaisemaan universumin syviä mysteerejä, testaamaan multiversumiteorioita sekä luomaan voimakkaita gammasäde-laseja, jotka tuhoavat syöpäsoluja atomitasolla ja mahdollistavat muut mullistavat lääketieteelliset hoidot.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Pieni siru tuo gammasäde-laserin unelmat ulottuville

Julkaistu Advanced Quantum Technologies -lehdessä, joka kattaa teoreettisen ja kokeellisen tutkimuksen kvanttitieteessä, materiaaleissa ja teknologioissa, viimeisin tutkimus³ oli kesäkuun numeron kansikuvassa.

Kuten tutkimus totesi, nanometrinen sähkömagneettisen energian rajoitus on mahdollista plasmoneilla.

Plasmoni on plasman tai metallin elektronitiheyden nopea värähtely, joka muodostaa kvanttiosan plasma‑värähtelystä. Nämä kvasi‑hiukkaset syntyvät johtavan kaistaleen elektronikaasun kollektiivisesta värähtelystä.

Ja “äärimmäiset plasmoneja vapauttavat vertaansa vailla olevia mahdollisuuksia, mukaan lukien pääsy ennennäkemättömiin petavoltteihin per metri (PV/m) -kenttiin”, jotka ovat äärimmäisen korkean sähkökentän voimakkuuksia, jotka tutkimus totesi, “avauttavat uusia, laajoja mahdollisuuksia, mukaan lukien hiukkasfysiikassa ja fotonitieteissä, nanometrisen suurten sähkömagneettisten energioiden rajoituksen kautta.”

Joten tutkijat ovat kehittäneet analyyttisen mallin tälle plasmoneiden luokalle kvanttikineettisen kehyksen perusteella.

Tämä viimeisin läpimurto tehtiin Colorado Denvern yliopistossa, jonka tavoitteena on mullistaa fysiikan ja kemian ymmärrystä.

“Se on erittäin jännittävää, koska tämä teknologia avaa kokonaan uusia tutkimusaloja ja vaikuttaa suoraan maailmaan.”

– Aakash Sahai, apulaisprofessori sähkötekniikassa CU Denverissä

Sahai, yhdessä Kalyan Tirumalasettyn kanssa, joka on hänen laboratoriossaan työskentelevä opiskelija, lähestyy tieteellistä yhteisöä uudella työkalulla, joka auttaa muuttamaan sci‑ficin todellisuudeksi.

“Aikaisemmin olemme saaneet teknologisia läpimurtoja, jotka ovat työntäneet meitä eteenpäin, kuten alkeishiukkasrakenne, joka johti laser‑, tietokonesiruihin ja LED‑tekniikkaan. Tämä innovaatio, joka perustuu myös materiaalitieteeseen, on samankaltainen,” lisäsi Sahai, jolla on tohtorintutkinto plasma‑fysiikasta Duke‑yliopistosta ja maisterin tutkinto sähkötekniikasta Stanford‑yliopistosta.

Mitä tässä tutkimuksessa on saavutettu, on tapa luoda äärimmäisiä sähkömagneettisia kenttiä laboratoriossa, mikä aiemmin oli mahdotonta.

Nämä sähkömagneettiset kentät voimaannuttavat kaiken tietokonesirujen toiminnasta super‑hiukkaskiihdyttimiin, jotka kiihdyttävät ja törmäävät alkeishiukkasia äärimmäisen korkeilla energioilla saadakseen tietoa aineen, energian ja varhaisen universumin luonteesta. 

Kun elektronit materiaalissa värähtelevät ja pomppivat erittäin suurilla nopeuksilla, nämä sähkömagneettiset kentät syntyvät.

Kuitenkin niin vahvojen kenttien luominen edistyneisiin kokeisiin vaatii valtavia, kalliita laitoksia.

Esimerkiksi tumman aineen tutkimiseen käytetään LHC‑kiihdyttimen kaltaisia koneita Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä, joka on maailman suurin hiukkasfysiikan laboratorio Sveitsissä. LHC on maailman voimakkain hiukkaskiihdytin, joka koostuu 27 km:n (16,7 mailin) rengasrakenteesta, jossa on supranjohtavia magneetteja ja useita kiihdytys­rakenteita, jotka nostavat hiukkasten energiaa matkan varrella.

Tällaisessa mittakaavassa kokeiden toteuttaminen vaatii massiivisia resursseja. Se on paitsi erittäin kallista, myös hyvin epävakaata.

Ratkaistakseen tämän ongelman, Sahain laboratorio rakensi piipohjaisen, sirun kaltaisen materiaalin, jonka koko on sormenpääsi.

Piitä on puolijohde, jonka ominaisuuksia (sähkönjohtavuutta) voidaan muuttaa lisäämällä epäpuhtauksia (doping), ja sitä käytetään mikro‑sirujen valmistukseen, joita löytyy jokapäiväisistä laitteista kuten matkapuhelimista sekä itseohjautuvista autoista.

Uusi sirun kaltainen materiaali kestää korkea‑energiapartikkeleiden säteitä ja hallitsee energian virtausta. Se myös mahdollistaa tutkijoille pääsyn sähkömagneettisiin kenttiin, jotka syntyvät kvanttielektronikaasun värähtelystä tai värähtelystä. Kaikki tämä toteutetaan pienessä tilassa.

Nopea liike (värähtely) luo sähkömagneettiset kentät, kun taas Sahain tekniikka mahdollistaa materiaalin hallita värähtelyn tuottamaa lämmönvirtausta, mikä auttaa pitämään näytteen vakaana ja koskemattomana.

“Tällaisen korkean energian virran manipulointi säilyttäen materiaalin perusrakenteen on läpimurto. Tämä teknologinen läpimurto voi tehdä todellisen muutoksen maailmassa. Kyse on luonnon toiminnan ymmärtämisestä ja tämän tiedon käyttämisestä positiivisen vaikutuksen aikaansaamiseksi maailmassa.”

– Tirumalasetty

Heidän teknologiansa voi mahdollisesti kutistaa pitkät kiihdyttimet siruksi ja antaa tutkijoille mahdollisuuden nähdä toimintoja kuin koskaan ennen.

Yliopisto on jo hakenut ja saanut tilapäisiä patentteja teknologialle sekä Yhdysvalloissa että kansainvälisesti.

Käytännön, todelliset sovellukset tulevat kuitenkin toteutumaan vasta vuosien kuluttua. 

Itse asiassa teknologian perusosa- työt alkoivat seitsemän vuotta sitten vuonna 2018, kun Sahai julkaisi tutkimuksensa antimaterian kiihdyttimistä. Hän sanoi:

“Se vie aikaa, mutta omassa elinaikani on erittäin todennäköistä.”

Sanottuaan, sillä on suuri potentiaali auttaa meitä ymmärtämään paremmin, miten universumi toimii perustasollaan ja siten parantaa elämää. Kuten Sahai totesi, tämä voisi myös tehdä gammasäde-laserit todellisuudeksi.

“Voisimme kuvata kudosta niin tarkasti, että emme katso pelkästään solujen ydintä, vaan myös sen alla olevien atomien ydintä. Tämä tarkoittaa, että tutkijat ja lääkärit voisivat nähdä, mitä tapahtuu ydin‑tasolla, ja se voisi nopeuttaa ymmärrystämme valtavista voimista, jotka hallitsevat näin pieniä mittakaavoja, samalla kun se johtaa parempiin lääketieteellisiin hoitoihin ja parannuksiin,” hän selitti. “Lopulta voisimme kehittää gammasäde‑laserita muokkaamaan ydintä ja poistamaan syöpäsolut nano‑tasolla.”

‘Äärimmäiset plasmoneja’ -tekniikka, joka on myös tutkimuksen otsikko, voi myös auttaa meitä testaamaan multiversumin mahdollisuutta.

Työ pienellä sirulla ei ole vielä valmis. Sekä Sahai että Tirumalasetty keskittyvät nyt piisirumateriaalin ja laseritekniikan hiomiseen SLAC‑kansallisessa kiihdyttimälaboratoriossa, maailmanluokan laitoksessa, jota Stanford‑yliopisto ylläpitää ja Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) rahoittaa, jossa teknologiaa testattiin.

Kvanttivakion simulointi ultra‑tehoisilla laseilla

Joten, kuten näimme, kosmosta laboratorioon, ymmärryksemme universumin äärimmäisimmästä valosta kehittyy nopeasti. 

Olemme tallentaneet gammasäde‑purkauksia kaukaisista pulsaarista, nähneet supermassiivisten mustien aukkojen purkauksia korkea‑energiassa, ja jopa kirjanneet salamointimaisia törmäyksiä, jotka tuottavat maapallon gammasäde‑välähdyksiä. Nyt opimme luomaan samankaltaisia olosuhteita täällä Maassa. 

Pari kuukautta sitten Oxfordin yliopiston fyysikot simuloivat, miten intensiiviset laserisäteet voivat tuottaa valoa siellä, missä sitä ei alun perin ollut, muuttaen teoreettisen käsitteen todellisuudeksi. 

Mitä fyysikot ovat onnistuneet tekemään, on se, että he pystyivät luomaan ensimmäistä kertaa 3‑D‑simulaatiot siitä, miten intensiiviset laserisäteet voivat vaikuttaa ja muuttaa kvanttivakion.

Julkaistu Communications Physics -lehdessä, tutkimus⁴ kuvaa edistyksellistä laskennallista mallintamista, jossa simuloidaan, miten voimakkaat laserit vuorovaikuttavat kvanttivakion kanssa, paljastaen prosessissa, miten fotonit kimpoilevat toistensa kanssa ja tuottavat uusia valonsäteitä.

Simulaatiot toistivat tyhjiön neliaaltomiksausta (FWM), ilmiötä, jonka kvanttifysiikka ennustaa: kolmen tarkasti kohdistetun laseripulssin yhdistetty sähkömagneettinen kenttä voi polarisoida tyhjiön virtuaaliset elektroni‑positroniparit, tuottaen uuden laserisäteen niin sanotussa ’valoa pimeydestä’ -prosessissa. 

“Tämä ei ole pelkkä akateeminen uteliaisuus – se on merkittävä askel kohti kokeellista kvanttivaikutusten vahvistamista, jotka tähän asti ovat olleet lähinnä teoreettisia.”

– Tutkimuksen yhteiskirjoittaja Peter Norreys, professori Oxfordin yliopistossa

Simulaatiot suoritettiin edistyneellä versioilla simulaatio‑ohjelmistosta (OSIRIS), joka mallintaa laserisäteiden vuorovaikutusta plasman tai aineen kanssa.

“Tietokoneohjelmamme antaa meille aikarajatun, 3‑D‑ikkunan kvanttivakion vuorovaikutuksiin, jotka olivat aiemmin ulottumattomia. Soveltamalla malliamme kolmen säteen sirontakokeeseen, pystyimme tallentamaan koko kvanttiallekirjoitusten kirjon sekä yksityiskohtaiset näkemykset vuorovaikutusalueesta ja keskeisistä aikaskaalista.”

– Zixin (Lily) Zhang, tutkimuksen pääkirjoittaja & tohtoriopiskelija Oxfordin fysiikan laitoksessa

Näitä malleja tutkijat käyttävät suunnitellessaan todellisia kokeita, kuten laserin muotoja ja pulssien ajoituksia. Lisäksi simulaatiot voivat tarjota uusia näkemyksiä siitä, miten pienet epäsymmetriat säteen geometriassa voivat muuttaa lopputulosta ja miten vuorovaikutukset etenevät reaaliajassa.

Lisäksi tulevaisuuden korkea‑energiainen laserikokeiden suunnittelun lisäksi tiimi uskoo, että työkalu voi auttaa etsimään merkkejä hypoteettisista alkeishiukkasista, kuten aksoneista, jotka ovat johtavia pimeän aineen ehdokkaita.

”Laaja valikoima suunniteltuja kokeita edistyksellisimmissä laserilaitoksissa tulee olemaan suuresti avustettu uudella laskennallisella menetelmällämme, joka on toteutettu OSIRIS‑ohjelmistossa,” sanoi tutkimuksen yhteiskirjoittaja Luis Silva, professori Instituto Superior Tecnico, Lissabonin yliopistosta. “Ultra‑intensiivisten laserien, huipputason havaitsemisen, edistyksellisen analytiikan ja numeerisen mallinnuksen yhdistelmä on uuden aikakauden perusta laser‑aine‑vuorovaikutuksissa, mikä avaa uusia horisontteja perustavanlaatuisessa fysiikassa.”

Sijoittaminen laser‑teknologiaan

Koska gammasäde‑laseria ei ole vielä toteutettu, tarkastelemme yrityksen, joka on mukana yleisessä laser‑teknologiassa, sijoituspotentiaalia. 

L3Harris Technologies (LHX ) on merkittävä toimija edistyksellisessä fotoniikassa ja korkea‑energiassa laserijärjestelmissä puolustukselle ja avaruusteollisuudelle. Yritys tuottaa erilaisia laserijärjestelmiä, jotka tunnetaan kompaktista koosta ja korkeasta suorituskyvystä. 

Markkina‑arvolla 50,7 miljardia $, LHX‑osakkeet kaupataan tällä hetkellä 272,31 $ hintaan, +29 % vuoden alusta. Vielä tämän kuukauden alussa yhtiön osakkeet saavuttivat uuden huipun 280,52 $, +45 % huhtikuun alimmasta tasosta. Tämän myötä EPS (TTM) on 8,96, ja P/E (TTM) on 30,27.

LHX‑osakkeenomistajat voivat nauttia 1,77 % osinkotuotosta.

Kun tarkastellaan yhtiön taloutta, L3Harris Technologies raportoi 5,4 miljardia $ liikevaihtoa ja 8,3 miljardia $ tilauksia Q2 2025. Yhtiön liiketulos oli 10,5 % ja säädetty segmentin liiketulos 15,9 %. Laimennettu EPS oli 2,44 $, kun taas 16 % kasvu ei‑GAAP‑laimennetussa EPS:ssä nosti sen 2,78 $:iin.