Inaugurare il futuro con i laser a raggi gamma

Potrebbero esserci altri universi là fuori, identici o diversi dal nostro? Beh, non lo sappiamo ancora.  

Sebbene sia un concetto importante nell'MCU, la teoria del multiverso di Stephen Hawking, ovvero un insieme ipotetico di tutti gli universi con il proprio spazio, tempo, materia, energia e leggi fisiche, rimane indimostrata, esistendo solo nel regno dei film e della fisica teorica.

Ciò di cui dobbiamo dimostrare l'esistenza è un dispositivo quantistico. Si tratta semplicemente di un sistema che sfrutta gli effetti della meccanica quantistica per funzionare, affidandosi al controllo e alla manipolazione delle interazioni quantistiche per ottenere funzionalità non possibili nei sistemi classici.

In fisica, un quanto, la forma singolare di quanti, è la quantità minima di qualsiasi entità fisica. Ad esempio, il quanto di luce è un fotone.

Ora, per svelare i misteri dell'universo, avremo bisogno di uno specifico dispositivo quantistico: un laser a raggi gamma.

Questo dispositivo ipotetico sarebbe in grado di produrre raggi gamma coerenti, proprio come un normale laser produce raggi coerenti di luce visibile. Un raggio gamma (simbolo γ) è una forma penetrante di radiazione elettromagnetica che deriva da interazioni ad alta energia come il decadimento radioattivo dei nuclei atomici. Deriva anche da eventi astronomici come le eruzioni solari. 

I raggi gamma sono le onde elettromagnetiche con la lunghezza d'onda più corta, inferiore a quella dei raggi X. Hanno frequenze superiori a 30 exahertz e lunghezze d'onda inferiori a 10 picometri. I fotoni dei raggi gamma hanno anche la più alta energia fotonica tra tutte le forme di radiazione elettromagnetica.

Un paio di anni fa, gli scienziati rilevato i raggi gamma con la più alta energia mai esistita, 20 tera-elettronvolt, ovvero circa diecimila miliardi di volte l'energia della luce visibile, provenienti da una stella morta chiamata pulsar. 

Verso la fine dell'anno scorso, nel frattempo, gli astrofisici catturato immagini di eruzioni di raggi gamma provenienti dal buco nero supermassiccio M87.

Image Source: University of California

All'inizio di quest'anno, un rilevamento multisensore di un intenso lampo di raggi gamma Prima osservato in seguito alla collisione di due fulmini leader¹È stata la prima volta che un lampo di raggi gamma terrestre (TGF) è stato osservato in sincronia con la scarica di fulmini.

Osservati in vari fenomeni cosmici, i raggi gamma vengono anche studiati attivamente e creati attraverso esperimenti specifici.

Esperimenti e studi di fattibilità con laser a raggi gamma

I raggi gamma sono una forma di radiazione elettromagnetica ad alta energia che è altamente penetrante e offre diversi vantaggiin vari campi. 

Le sue potenziali applicazioni includono l'imaging medico, la propulsione dei veicoli spaziali, trattamento per il cancroe viaggi interstellari. Date le sue vaste possibilità, gli scienziati di tutto il mondo stanno studiando la realizzazione di un laser a raggi gamma, o graser, per produrre raggi gamma coerenti. 

Gli scienziati dell'Università di Rochester hanno ricevuto finanziamenti federali per farlo, per i quali sono studiare la fattibilità di sorgenti luminose coerenti.

Negli anni '1980, Gérard Mourou e Donna Strickland dell'Università di Rochester inventarono amplificazione dell'impulso chirped (CPA), una tecnica che aumenta la potenza di picco dei laser e che ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2018. Tuttavia, lo sviluppo di laser che producono raggi gamma è ancora lontano. Per affrontare questo problema, stanno studiando le proprietà di coerenza della radiazione emessa quando densi gruppi di elettroni collidono con un forte campo laser, che li aiuterà a capire come produrre raggi gamma coerenti.

"La capacità di produrre raggi gamma coerenti rappresenterebbe una rivoluzione scientifica nella creazione di nuovi tipi di sorgenti luminose, simile a come la scoperta e lo sviluppo della luce visibile e delle sorgenti di raggi X hanno cambiato la nostra comprensione fondamentale del mondo atomico".

– Il ricercatore capo, Antonino Di Piazza e professore di fisica all'università

Per studiare il modo in cui gli elettroni interagiscono con i laser per emettere luce ad alta energia, i ricercatori inizieranno osservando come uno o due elettroni emettono luce prima di analizzare situazioni più complesse con molti elettroni per produrre raggi gamma coerenti. 

""Non siamo i primi scienziati che hanno provato a creare raggi gamma in questo modo", ha detto Di Piazza al momento. "Ma lo stiamo facendo utilizzando una teoria completamente quantistica, l'elettrodinamica quantistica, che rappresenta un approccio avanzato per affrontare questo problema."

Un altro approccio allo sviluppo dei laser a raggi gamma prevede l'eccitazione degli isomeri nucleari. 

A documento di ricerca² Un paio di mesi fa, uno studio ha delineato il metodo per eccitare i nuclei di alcuni isotopi a uno stato nucleare ad alta energia. Utilizzando il bombardamento di neutroni, i nuclei isomerici vengono eccitati in stati isomerici metastabili prima di innescare l'emissione stimolata di raggi gamma per ottenere la coerenza dal nucleo.

Il loro nuovo metodo "un po' non convenzionale" mira a risolvere il "dilemma di Graser" spostando il reticolo cristallino durante il bombardamento di neutroni. 

"La tecnologia ha il potenziale per creare laser estremamente potenti che possono essere utilizzato in varie applicazioni, tra cui le armi laser," ha osservato Yordan Katsarov del Dipartimento di attrezzature e tecnologie aeronautiche, che fa parte dell'Accademia aeronautica bulgara Georgi Benkovski.

Ora, gli scienziati dell'Università del Colorado Denver hanno creato un chip che un giorno potrebbe sbloccare i laser a raggi gamma.

Questo rivoluzionario dispositivo quantistico, sufficientemente piccolo da stare in una mano, può generare campi elettromagnetici estremi, in precedenza possibili solo in enormi acceleratori di particelle. Il chip, delle dimensioni di un pollice, ha il potenziale per sostituire acceleratori di particelle lunghi chilometri in un futuro non troppo lontano e aiutarci a svelare i misteri profondi del nostro universo, testare le teorie del multiverso e creare potenti laser a raggi gamma per distruggere le cellule tumorali a livello atomico e consentire altri trattamenti medici rivoluzionari.

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Un piccolo chip rende i sogni del laser gamma alla portata di tutti

Pubblicato in Advanced Quantum Technologies, una rivista che copre la ricerca teorica e sperimentale nella scienza quantistica, nei materiali e nelle tecnologie, il ultimo studio³ è apparso sulla copertina del numero di giugno.

Come ha osservato lo studio, il confinamento nanometrico dell'energia elettromagnetica è possibile utilizzando i plasmoni.

Un plasmone è un quanto di oscillazione del plasma, che è una rapida oscillazione della densità elettronica nei plasmi o nei metalli. Queste quasiparticelle sono formate dalle oscillazioni collettive del gas di elettroni della banda di conduzione. 

E "i plasmoni estremi scatenano possibilità senza precedenti, tra cui l'accesso a campi di petavolt per metro senza precedenti" (campi PV/m), che sono intensità di campo elettrico estremamente elevate, che lo studio ha osservato "aprono nuove e ampie possibilità, comprese quelle nella fisica delle particelle e nelle scienze dei fotoni attraverso il confinamento nanometrico dell'energia elettromagnetica su larga scala".

I ricercatori hanno quindi sviluppato un modello analitico di questa classe di plasmoni basato su un quadro cinetico quantistico.

Questa ultima svolta è stata fatta presso l'Università del Colorado a Denver con l'obiettivo di rivoluzionare la nostra comprensione della fisica e della chimica.

"È molto entusiasmante perché questa tecnologia aprirà nuovi campi di studio e avrà un impatto diretto sul mondo."

– Aakash Sahai, professore assistente di ingegneria elettrica alla CU Denver

Sahai, insieme a Kalyan Tirumalasetty, uno studente del suo laboratorio che sta lavorando con lui su questa tecnologia, si sta avvicinando sempre di più a fornire alla comunità scientifica un nuovo strumento per aiutarla a trasformare la fantascienza in realtà.

“In passato, abbiamo avuto innovazioni tecnologiche che ci hanno spinto avanti, come la struttura subatomica che ha portato ai laser, ai chip per computer e ai LED. Questa innovazione, che si basa anche sulla scienza dei materiali, è sulla stessa linea", ha aggiunto Sahai, che ha conseguito un dottorato di ricerca in fisica del plasma presso presso la Duke University e un master in ingegneria elettrica presso la Stanford University.

Cos'ha stato raggiunto in questo studio c'è un modo per creare campi elettromagnetici estremi in laboratorio che prima era impossibile.

Questi campi elettromagnetici alimentano tutto, dai chip dei nostri computer ai super acceleratori di particelle, che accelerano e fanno scontrare particelle subatomiche a energie estremamente elevate per ottenere informazioni sulla natura della materia, dell'energia e dell'universo primordiale. 

È quando gli elettroni in un materiale vibrano e rimbalzano a velocità estremamente elevate che questi campi elettromagnetici sono creati.

Tuttavia, per creare campi sufficientemente potenti da consentire esperimenti avanzati sono necessarie strutture enormi e costose.

Ad esempio, gli scienziati che studiano la materia oscura utilizzano macchine come il Large Hadron Collider (LHC) presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, CERN, che è il più grande laboratorio di fisica delle particelle del mondo situato in Svizzera. LHC è l'acceleratore di particelle più potente al mondo, che comprende un anello di 16.7 chilometri di magneti superconduttori con diverse strutture di accelerazione per aumentare l'energia delle particelle lungo il percorso.

Condurre esperimenti su questa scala richiede ingenti risorse. Non solo è molto costoso, ma può anche essere altamente instabile.

Per superare questo problema, il laboratorio di Sahai ha costruito un materiale simile a un chip, a base di silicio (Si), delle dimensioni di un pollice.

Il silicio è un semiconduttore le cui proprietà (conduttività elettrica) possono essere modificate aggiungendo impurità (drogaggio) e viene utilizzato per produrre microchip presenti in dispositivi di uso quotidiano come i telefoni cellulari e le auto a guida autonoma.

Il nuovo materiale simile a un chip può gestire fasci di particelle ad alta energia e controllarne il flusso. Permette inoltre a scienziati e ricercatori di accedere a campi elettromagnetici che sono prodotti dalle vibrazioni o oscillazioni del gas quantistico di elettroni. E tutto questo viene realizzato in uno spazio minuscolo.

Il movimento rapido (oscillazioni) crea i campi elettromagnetici, mentre la tecnica di Sahai consente al materiale di gestire il flusso di calore generato dalla vibrazione e aiuta a mantenere il campione stabile e intatto.

"Manipolare un flusso di energia così elevato preservando la struttura sottostante del materiale è la vera svolta. Questa svolta tecnologica può apportare un vero cambiamento nel mondo. Si tratta di capire come funziona la natura. e utilizzare tale conoscenza per avere un impatto positivo sul mondo."

- Tirumalasetty

La loro tecnologia può potenzialmente ridurre i collisori lunghi in un chip e consentire agli scienziati di osservare l'attività come mai prima d'ora.

L'università ha già richiesto e ottenuto brevetti provvisori sulla tecnologia, sia negli Stati Uniti che a livello internazionale.

Tuttavia, ci vorranno anni per realizzare le applicazioni pratiche e concrete di questa tecnologia. 

In effetti, alcuni dei lavori fondamentali della tecnologia hanno avuto inizio sette anni fa nel 2018, quando Sahai pubblicò la sua ricerca sugli acceleratori di antimateria. Disse:

"Ci vorrà un po' di tempo, ma è molto probabile che accada nel corso della mia vita."

Avendolo detto, ha un grande potenziale nell'aiutarci a comprendere meglio il funzionamento dell'universo nella sua scala fondamentale e quindi a migliorare la nostra vita. Come ha osservato Sahai, questo potrebbe anche rendere realtà i laser a raggi gamma.

"Potremmo ottenere immagini dei tessuti non solo fino al nucleo delle cellule, ma anche fino al nucleo degli atomi sottostanti. Ciò significa che scienziati e medici sarebbero in grado di vedere cosa succede a livello nucleare, e questo potrebbe accelerare la nostra comprensione delle immense forze che dominano su scale così piccole, portando anche a trattamenti e cure mediche migliori", ha spiegato. "Alla fine, potremmo sviluppare laser a raggi gamma per modificare il nucleo e rimuovere le cellule tumorali a livello nano."

La tecnica dei "plasmoni estremi", che è anche il titolo dello studio, può anche aiutarci a testare la possibilità di un multiverso.

Il lavoro sul piccolo chip, però, non è ancora terminato. Sia Sahi che Tirumalasetty si concentreranno ora sul perfezionamento del materiale del chip di silicio e della tecnica laser presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, una struttura di livello mondiale gestita dalla Stanford University e finanziata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), dove la tecnologia è stata testata.

Simulazione del vuoto quantistico con laser ultra potenti

Quindi, come abbiamo visto, dal cosmo al laboratorio, la nostra comprensione della luce più estrema dell'universo si sta evolvendo rapidamente. 

Abbiamo catturato lampi di raggi gamma da pulsar distanti, assistito a galassie supermassicce i buchi neri brillano in uno splendore ad alta energia, e abbiamo persino registrato le collisioni simili a fulmini che producono lampi gamma terrestri. Ora stiamo imparando a ricreare condizioni simili qui sulla Terra. 

Un paio di mesi fa, i fisici dell'Università di Oxford hanno simulato il modo in cui intensi raggi laser possono generare luce dove non ce n'è, trasformando un concetto teorico in realtà. 

Ciò che i fisici sono riusciti a fare è stato creare, per la prima volta in assoluto, simulazioni 3D di quanto intensi raggi laser possano influenzare e modificare il vuoto quantistico.

Pubblicato in Communications Physics, il studio⁴ dettagli utilizzando modelli computazionali avanzati per simulare il modo in cui i laser potenti interagiscono con il vuoto quantistico, rivelando nel processo come i fotoni rimbalzano l'uno sull'altro e producono nuovi fasci di luce.

Le simulazioni hanno ricreato la miscelazione a quattro onde del vuoto (FWM), un fenomeno previsto dalla fisica quantistica che afferma che il campo elettromagnetico combinato di tre impulsi laser focalizzati può polarizzare le coppie virtuali elettrone-positrone del vuoto, producendo un nuovo raggio laser in quello che viene chiamato il processo di "luce dall'oscurità". 

"Non si tratta solo di una curiosità accademica: è un passo importante verso la conferma sperimentale di effetti quantistici che finora erano rimasti per lo più teorici".

– Coautore dello studio Peter Norreys, professore presso l’Università di Oxford

Le simulazioni sono stati eseguiti utilizzando una versione avanzata di un software di simulazione (OSIRIS), che modella il laser interazione delle travi con plasma o materia.

"Il nostro programma informatico ci offre una finestra tridimensionale risolta nel tempo sulle interazioni quantistiche del vuoto, precedentemente irraggiungibili. Applicando il nostro modello a un esperimento di scattering a tre fasci, siamo stati in grado di catturare l'intera gamma di firme quantistiche, insieme a informazioni dettagliate sulla regione di interazione e sulle scale temporali chiave."

– Zixin (Lily) Zhang, autore principale dello studio e dottorando presso il Dipartimento di Fisica di Oxford

Questi modelli vengono utilizzati dai ricercatori per progettare esperimenti reali, come le forme dei laser e le tempistiche degli impulsi. Inoltre, le simulazioni possono fornire nuove informazioni su come anche piccole asimmetrie nella geometria del fascio possano modificare il risultato e su come le interazioni progrediscono in tempo reale.

Oltre ad aiutare a pianificare futuri esperimenti laser ad alta energia, il team ritiene che lo strumento possa anche aiutare a cercare tracce di ipotetiche particelle subatomiche come gli assoni, uno dei principali candidati per la materia oscura.

“Una vasta gamma di esperimenti pianificati presso le strutture laser più avanzate essere grandemente aiutato "Grazie al nostro nuovo metodo computazionale implementato in OSIRIS", ha affermato il coautore dello studio Luis Silva, professore presso l'Instituto Superior Tecnico dell'Università di Lisbona. "La combinazione di laser ultra-intensi, rilevazione all'avanguardia e modellazione analitica e numerica all'avanguardia sono le basi per una nuova era nelle interazioni laser-materia, che aprirà nuovi orizzonti per la fisica fondamentale".

Investire nella tecnologia laser

Dato che un laser a raggi gamma non è ancora stato è stato realizzato, esamineremo il potenziale di investimento di un'azienda impegnata nella tecnologia laser in generale. 

Tecnologie L3Harris (LHX ) è un'azienda leader nella fotonica avanzata e nei sistemi laser ad alta energia per la difesa e l'aerospaziale. L'azienda produce una varietà di sistemi laser, noti per le loro dimensioni compatte e le elevate prestazioni. 

Con una capitalizzazione di mercato di 50.7 miliardi di dollari, le azioni di LHX sono attualmente scambiate a 272.31 dollari, in rialzo del 29% da inizio anno. All'inizio di questo mese, le azioni della società hanno raggiunto un nuovo massimo a 280.52 dollari, in rialzo di oltre il 45% rispetto al minimo di aprile. Con questo risultato, l'utile per azione (TTM) è pari a 8.96 e il rapporto prezzo/utili (TTM) è pari a 30.27.

Gli azionisti di LHX possono beneficiare di un rendimento da dividendi dell'1.77%.

Per quanto riguarda i dati finanziari dell'azienda, L3Harris Technologies ha registrato un fatturato di 5.4 miliardi di dollari e ordini per 8.3 miliardi di dollari per il secondo trimestre del 2. Il margine operativo dell'azienda è stato del 2025% e il margine operativo rettificato del segmento è stato del 10.5%. L'utile per azione diluito, nel frattempo, è stato di 15.9 dollari, mentre un aumento del 2.44% dell'utile per azione diluito non-GAAP lo ha portato a 16 dollari.