Aprire il Futuro con i Laser a Raggi Gamma

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

Mentre è un concetto di spicco nel MCU, la teoria del multiverso di Stephen Hawking, che è un insieme ipotetico di tutti gli universi con il proprio spazio, tempo, materia, energia e leggi fisiche, rimane non provata, esistente solo nel regno dei film e della fisica teorica.

Ciò che dobbiamo dimostrare è l’esistenza di un dispositivo quantistico. È semplicemente un sistema che utilizza effetti meccanici quantistici per funzionare, basandosi sul controllo e sulla manipolazione delle interazioni quantistiche per ottenere funzionalità impossibili nei sistemi classici.

In fisica, un quantum, forma singolare di quanta, è la quantità minima di qualsiasi entità fisica. Per esempio, il quantum della luce è un fotone.

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

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

I raggi gamma consistono delle onde elettromagnetiche a lunghezza d’onda più corta, più corte di quelle dei raggi X. Hanno frequenze superiori a 30 exahertz e lunghezze d’onda inferiori a 10 picometri. I fotoni dei raggi gamma hanno anche l’energia di fotone più alta di qualsiasi forma di radiazione elettromagnetica.

Un paio di anni fa, gli scienziati rilevato i raggi gamma a più alta energia mai registrati, 20 teraelectronvolt, circa dieci trilioni di volte l’energia della luce visibile, provenienti da una stella morta chiamata pulsar. 

Alla fine dello scorso anno, nel frattempo, gli astrofisici catturato immagini di lampi di raggi gamma dal buco nero supermassiccio M87.

Fonte dell’immagine: University of California

All’inizio di quest’anno, una rilevazione multi-sensore di un intenso lampo di raggi gamma è stata osservata sulla collisione di due conduttori di fulmini¹. È stata la prima volta che un lampo di raggi gamma terrestre (TGF) è stato osservato in sincronizzazione con la scarica del fulmine.

Osservati in vari fenomeni cosmici, i raggi gamma sono anche oggetto di studi attivi e vengono creati attraverso esperimenti specifici.

Esperimenti con Laser a Raggi Gamma e Studi di Fattibilità

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

Le sue potenziali applicazioni includono l’imaging medico, la propulsione di veicoli spaziali, il trattamento del cancro e i viaggi interstellari. Data la sua vastità di 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 stanno studiare la fattibilità di sorgenti di luce coerente.

Negli anni ’80, Gérard Mourou e Donna Strickland dell’Università di Rochester inventarono l’amplificazione di impulsi a frequenza variabile (CPA), una tecnica che aumenta la potenza di picco dei laser e che in seguito vinse il Premio Nobel per la Fisica nel 2018. Tuttavia, lo sviluppo di laser che producono raggi gamma non è ancora stato realizzato. Per affrontare questo problema, stanno investigando le proprietà di coerenza della radiazione emessa quando dense raffiche di elettroni collidono con un forte campo laser, il che li aiuterà a capire come produrre raggi gamma coerenti.

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

– Il ricercatore principale, Antonino Di Piazza & professore di fisica all’università

Per studiare come 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 investigare situazioni più complesse con molti elettroni per produrre raggi gamma coerenti. 

“Non siamo i primi scienziati ad aver provato a creare raggi gamma in questo modo,” ha detto Di Piazza all’epoca. “Ma lo stiamo facendo usando una teoria quantistica completa—l’elettrodinamica quantistica—che è un approccio avanzato per affrontare questo problema.“

Un altro approccio allo sviluppo di laser a raggi gamma include l’eccitazione di isomeri nucleari. 

Un articolo di ricerca² di qualche mese fa ha delineato il metodo per eccitare i nuclei di alcuni isotopi a uno stato nucleare di energia più alta. Usando il bombardamento di neutroni, i nuclei isomerici sono eccitati in stati isomerici metastabili prima di innescare l’emissione stimolata di raggi gamma per ottenere coerenza dal nucleo.

Il loro nuovo e “un po’ non convenzionale” metodo mira a risolvere il ‘dilemma del Graser’ spostando la rete cristallina durante il bombardamento di neutroni. 

“La tecnologia ha il potenziale di creare laser estremamente potenti che possono essere usati in varie applicazioni, inclusi i laser da arma,” ha osservato Yordan Katsarov del Dipartimento di Attrezzature e Tecnologie Aeronautiche, parte dell’Accademia dell’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 nella mano, può generare campi elettromagnetici estremi precedentemente possibili solo in enormi collisori di particelle. Il chip delle dimensioni di un pollice ha il potenziale di sostituire collisori di particelle lunghi miglia in un futuro non troppo lontano e aiutarci a svelare i profondi misteri del nostro universo, testare le teorie del multiverso e creare potenti laser a raggi gamma per distruggere le cellule cancerose a livello atomico e abilitare altri trattamenti medici rivoluzionari.

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Un Piccolo Chip Porta i Sogni dei Laser Gamma alla Portata

Pubblicato su Advanced Quantum Technologies, una rivista che copre la ricerca teorica ed esperimentale nella scienza quantistica, nei materiali e nelle tecnologie, lo studio più recente³ è stato presente sulla copertina dell’edizione di giugno.

Come osservato nello studio, il confinamento nanometrico dell’energia elettromagnetica è possibile usando i plasmoni.

Un plasmon è un quantum di oscillazione del plasma, che è una rapida oscillazione della densità elettronica nei plasma o nei metalli. Queste quasiparticelle si formano da oscillazioni collettive del gas di elettroni della banda di conduzione.

E “i plasmoni estremi liberano possibilità senza pari, inclusi campi di Petavolt per metro (PV/m) senza precedenti”, che sono intensità di campo elettrico estremamente elevate, che lo studio ha osservato, “aprono nuove possibilità ampie, comprese quelle nella fisica delle particelle e nelle scienze dei fotoni attraverso il confinamento nanometrico di energia elettromagnetica su larga scala.”

Quindi, i ricercatori hanno sviluppato un modello analitico di questa classe di plasmoni basato su un quadro cinetico quantistico.

Quest’ultimo progresso è stato realizzato all’Università del Colorado Denver con l’obiettivo di rivoluzionare la nostra comprensione della fisica e della chimica.

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

– Aakash Sahai, Professore Assistente di Ingegneria Elettrica al CU Denver

Sahai, insieme a Kalyan Tirumalasetty, uno studente del suo laboratorio che lavora con lui sulla tecnologia, si sta avvicinando 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 spinti avanti, come la struttura subatomica che ha portato ai laser, ai chip informatici e ai LED. Questa innovazione, anch’essa basata sulla scienza dei materiali, è nella stessa direzione,” ha aggiunto Sahai, che ha un dottorato in fisica del plasma dalla Duke University e un master in ingegneria elettrica dalla Stanford University.

Ciò che è stato realizzato in questo studio è un modo per creare campi elettromagnetici estremi in laboratorio, qualcosa prima impossibile.

Questi campi elettromagnetici alimentano tutto, dai nostri chip informatici ai super collisori di particelle, che accelerano e collidono particelle subatomiche a energie estremamente elevate per ottenere intuizioni 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 vengono creati.

Tuttavia, creare campi sufficientemente forti per eseguire esperimenti avanzati richiede strutture enormi e costose.

Ad esempio, gli scienziati che studiano la materia oscura usano 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 al mondo, situato in Svizzera. LHC è l’acceleratore di particelle più potente al mondo, con un anello di 16,7 miglia (27 chilometri) di magneti superconduttori e diverse strutture di accelerazione per aumentare l’energia delle particelle lungo il percorso.

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

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

Il silicio è un semiconduttore le cui proprietà (conduttività elettrica) possono essere alterate aggiungendo impurità (doping) ed è usato per produrre microchip presenti in dispositivi quotidiani come i telefoni cellulari, nonché nelle auto a guida autonoma.

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

Il rapido movimento (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 svolta. Questa svolta tecnologica può apportare un vero cambiamento nel mondo. Si tratta di comprendere come funziona la natura e utilizzare quella conoscenza per avere un impatto positivo sul mondo.”

– Tirumalasetty

La loro tecnologia può potenzialmente ridurre i lunghi collisori a 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.

Le applicazioni pratiche e reali della tecnologia, tuttavia, richiederanno anni per realizzarsi. 

In realtà, parte del lavoro fondamentale della tecnologia è iniziata sette anni fa, nel 2018, quando Sahai ha pubblicato la sua ricerca sugli acceleratori di antimateria. Ha detto:

“Ci vorrà un po’ di tempo, ma nella mia vita è molto probabile.”

Detto ciò, ha un grande potenziale nell’aiutarci a comprendere meglio il modo in cui l’universo funziona a scala fondamentale e quindi migliorare le vite. Come ha osservato Sahai, questo potrebbe anche rendere i laser a raggi gamma una realtà.

“Potremmo ottenere immagini dei tessuti non solo fino al nucleo delle cellule ma fino al nucleo degli atomi sottostanti. Ciò significa che scienziati e medici potranno vedere cosa sta accadendo a livello nucleare, e questo potrebbe accelerare la nostra comprensione delle forze immense che dominano a scale così piccole, portando anche a migliori trattamenti e cure mediche,” ha spiegato. “Alla fine, potremmo sviluppare laser a raggi gamma per modificare il nucleo e rimuovere le cellule cancerose 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 non è ancora terminato, però. Sahi e Tirumalasetty si concentreranno ora sul perfezionamento del materiale a base di chip di silicio e della tecnica laser presso il 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.

Simulare il Vuoto Quantistico con Laser Ultra-Potenti

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

Abbiamo catturato esplosioni di raggi gamma da pulsar distanti, assistito a lampi di buchi neri supermassicci in gloria ad alta energia, e persino registrato le collisioni simili a fulmini che producono lampi di raggi 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 come fasci laser intensi possano generare luce dove non ce n’era, trasformando un concetto teorico in realtà. 

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

Pubblicato su studio⁴, lo studio descrive l’uso di modellazione computazionale avanzata per simulare come i laser potenti interagiscono con il vuoto quantistico, rivelando nel processo come i fotoni si rimbalzino tra loro e producano nuovi fasci di luce.

Le simulazioni hanno ricreato il mixing 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 fascio laser in quello che è chiamato il processo ‘luce dall’oscurità’. 

“Non è solo una curiosità accademica – è un passo importante verso la conferma sperimentale di effetti quantistici che finora sono stati per lo più teorici.”

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

Le simulazioni sono state eseguite usando una versione avanzata di un software di simulazione (OSIRIS), che modella l’interazione dei fasci laser con il plasma o la materia.

“Il nostro programma informatico ci offre una finestra 3D a risoluzione temporale sulle interazioni del vuoto quantistico che prima erano fuori portata. 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 dettagliate intuizioni sulla regione di interazione e sui tempi chiave.”

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

Questi modelli sono usati dai ricercatori per progettare esperimenti reali, come forme laser e tempi di impulso. Inoltre, le simulazioni possono fornire nuove intuizioni su come anche piccole asimmetrie nella geometria del fascio possano cambiare il risultato e su come le interazioni progrediscano in tempo reale.

Oltre ad aiutare nella pianificazione di futuri esperimenti laser ad alta energia, il team crede che lo strumento possa anche aiutare a cercare segni di ipotetiche particelle subatomiche come gli assioni, un candidato principale per la materia oscura.

“Una vasta gamma di esperimenti pianificati nelle più avanzate strutture laser sarà notevolmente supportata dal nostro nuovo metodo computazionale implementato in OSIRIS,” ha detto il coautore dello studio Luis Silva, professore all’Instituto Superior Tecnico dell’Università di Lisbona. “La combinazione di laser ultra-intensi, rilevazione all’avanguardia, modellazione analitica e numerica di ultima generazione 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 realizzato, esamineremo il potenziale di investimento di un’azienda impegnata nella tecnologia laser generale. 

L3Harris Technologies (LHX ) è un attore importante nella fotonica avanzata e nei sistemi laser ad alta energia per difesa e aerospazio. L’azienda produce una varietà di sistemi laser, noti per le loro dimensioni compatte e alte prestazioni. 

Con una capitalizzazione di mercato di 50,7 miliardi di dollari, le azioni LHX sono attualmente scambiate a 272,31 $, in crescita del 29 % dall’inizio dell’anno. All’inizio di questo mese, le azioni dell’azienda hanno raggiunto un nuovo massimo a 280,52 $, in aumento di oltre il 45 % rispetto al minimo di aprile. Con ciò, il suo EPS (TTM) è 8,96 e il P/E (TTM) è 30,27.

Gli azionisti di LHX possono godere di un rendimento da dividendo dell’1,77 %.

Per quanto riguarda i dati finanziari dell’azienda, L3Harris Technologies ha riportato un fatturato di 5,4 miliardi di dollari e ordini per 8,3 miliardi di dollari nel Q2 2025. Il margine operativo dell’azienda era del 10,5 % e il margine operativo del segmento aggiustato era del 15,9 %. L’EPS diluito, nel frattempo, è stato di 2,44 $, mentre un aumento del 16 % dell’EPS diluito non GAAP lo ha portato a 2,78 $.

“Abbiamo consegnato risultati impressionanti nel secondo trimestre, guidati da un record book-to-bill di 1,5×, una solida crescita organica e un’espansione del margine operativo del segmento aggiustato anno su anno per il settimo trimestre consecutivo,” ha detto l’amministratore delegato Christopher E. Kubasik. “Questo segna un chiaro punto di svolta, con la nostra crescita più forte del fatturato in sei trimestri e progressi significativi verso il nostro Quadro Finanziario 2026.”

Kubasik ha anche osservato che la difesa sta “entrando in un ciclo di investimento generazionale, poiché i budget degli Stati Uniti e degli alleati crescono rapidamente”, e di fronte a questa domanda “in accelerazione”, il portafoglio dell’azienda è allineato con le aree chiave di crescita per raggiungere “crescita profittevole sostenuta e creazione di valore a lungo termine.”

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni di L3Harris Technologies (LHX)

Conclusione

Scienziati e ingegneri stanno costantemente spingendo i confini della luce e della materia. Tali progressi stanno ora permettendo ai laser a raggi gamma di passare da una semplice teoria a una tecnologia trasformativa. Sfruttare questa forma estrema di luce può non solo aiutare a ridefinire la fisica, ma anche a rimodellare la medicina, l’energia e la nostra comprensione stessa dell’universo!

Clicca qui per un elenco delle principali aziende di calcolo quantistico.

Riferimenti:

1. Wada, Y., Morimoto, T., Wu, T., Wang, D., Kikuchi, H., Nakamura, Y., Yoshikawa, E., Ushio, T., & Tsuchiya, H. Lampo terrestre di raggi gamma discendente associato alla collisione di conduttori di fulmini. Science Advances, 11(21), eads6906, pubblicato 21 maggio 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.ads6906
2. Katsarov, Y. Un nuovo approccio allo sviluppo del laser a raggi gamma. Environment. Technology. Resources. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference, 4, 467–474, pubblicato 2025. https://doi.org/10.17770/etr2025vol4.8388
3. Sahai, A. A. Plasmoni estremi. Advanced Quantum Technologies, pubblicato 19 maggio 2025. https://doi.org/10.1002/qute.202500037
4. Zhang, Z., Aboushelbaya, R., Ouatu, I., et al. Modellazione computazionale del vuoto quantistico semi-classico in 3D. Communications Physics, 8, 224, pubblicato 5 giugno 2025. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02128-8