De Toekomst Inluiden met Gamma‑straallasers

Kunnen er meer universums bestaan, identiek of verschillend van het onze? Nou, dat weten we nog niet.  

Hoewel een prominent concept in het MCU, blijft Stephen Hawking’s multiversumtheorie – een hypothetische verzameling van alle universums met hun eigen ruimte, tijd, materie, energie en natuurwetten – onbewezen en bestaat het alleen in de wereld van films en theoretische fysica.

Wat we moeten bewijzen is een kwantumapparaat. Het is simpelweg een systeem dat kwantummechanische effecten gebruikt om te functioneren, waarbij het vertrouwen op de controle en manipulatie van kwantuminteracties om functionaliteiten te bereiken die in klassieke systemen niet mogelijk zijn.

In de fysica is een kwantum, de enkelvoudige vorm van quanta, de minimale hoeveelheid van elke fysieke entiteit. Bijvoorbeeld, het kwantum van licht is een foton.

Nu, om de mysteries van het universum te ontrafelen, hebben we een specifiek kwantumapparaat nodig: een gamma‑straallaser.

Dit hypothetische apparaat zou in staat zijn coherente gamma‑stralen te produceren, net zoals een gewone laser coherente stralen van zichtbaar licht produceert. Een gamma‑straal (symbool γ) is een doordringende vorm van elektromagnetische straling die ontstaat uit hoog‑energetische interacties zoals de radioactieve verval van atoomkernen. Het ontstaat ook bij astronomische gebeurtenissen zoals zonnestormen. 

Gamma‑stralen bestaan uit de kortste golflengte elektromagnetische golven, korter dan die van röntgenstralen. Ze hebben frequenties boven 30 exahertz en golflengten korter dan 10 picometer. Gamma‑straalfotonen hebben bovendien de hoogste fotonenergie van alle vormen van elektromagnetische straling.

Een paar jaar geleden detecteerden wetenschappers de hoogst-energetische gamma‑stralen ooit, 20 tera‑elektronvolt, wat ongeveer tien biljoen keer de energie van zichtbaar licht is, afkomstig van een dode ster genaamd een pulsar. 

Laatste jaar, ondertussen, legden astrofysici beelden vast van gamma‑straalvlammen van superzware zwart gat M87.

Afbeeldingsbron: University of California

Eerder dit jaar werd een multi‑sensor detectie van een intense gamma‑straalflits waargenomen bij de botsing van twee bliksemsleiders¹. Het was de eerste keer dat een terrestrische gamma‑straalflits (TGF) werd waargenomen in synchronisatie met de ontlading van bliksem.

Waargenomen in diverse kosmische fenomenen, worden gamma‑stralen ook actief bestudeerd en gecreëerd via specifieke experimenten.

Gamma‑straallaserexperimenten en haalbaarheidsstudies

Gamma‑stralen zijn een vorm van hoog‑energetische elektromagnetische straling die zeer doordringend is en verschillende voordelen biedt in diverse velden. 

De potentiële toepassingen omvatten medische beeldvorming, voortstuwing van ruimtevaartuigen, kankerbehandeling, en interstellaire reizen. Gezien de enorme mogelijkheden onderzoeken wetenschappers wereldwijd het maken van een gamma‑straallaser, of graser, om coherente gamma‑stralen te produceren. 

Wetenschappers van de Universiteit van Rochester ontvingen federale financiering hiervoor, waarvoor ze de haalbaarheid van coherente lichtbronnen bestuderen.

In de jaren 80 uitvonden Gérard Mourou en Donna Strickland aan de Universiteit van Rochester chirped pulse amplification (CPA), een techniek die het piekvermogen van lasers verhoogt en later de Nobelprijs voor Natuurkunde 2018 won. Het ontwikkelen van lasers die gamma‑stralen produceren is echter nog niet bereikt. Om dat aan te pakken onderzoeken ze de coherentie‑eigenschappen van de straling die wordt uitgezonden wanneer dichte bundels elektronen botsen met een sterk laserveld, wat hen zal helpen te begrijpen hoe coherente gamma‑stralen te produceren.

“Het vermogen om coherente gamma‑stralen te maken zou een wetenschappelijke revolutie betekenen in het creëren van nieuwe soorten lichtbronnen, vergelijkbaar met hoe de ontdekking en ontwikkeling van zichtbaar licht en röntgenbronnen ons fundamentele begrip van de atomaire wereld veranderde.”

– De hoofdonderzoeker, Antonino Di Piazza & professor in de fysica aan de universiteit

Om te bestuderen hoe elektronen met lasers interageren om hoog‑energetisch licht uit te stralen, zullen de onderzoekers beginnen met te kijken hoe één of twee elektronen licht uitzenden voordat ze complexere situaties met veel elektronen onderzoeken om coherente gamma‑stralen te produceren. 

“We zijn niet de eerste wetenschappers die op deze manier gamma‑stralen probeerden te creëren,” zei Di Piazza destijds. “Maar we doen dit met een volledig kwantum‑theorie—kwantumelektrodynamica—wat een geavanceerde benadering is om dit probleem aan te pakken.“

Een andere benadering voor het ontwikkelen van gamma‑straallasers omvat nucleaire isomeer‑excitatie. 

Een onderzoeksartikel² van een paar maanden geleden schetste de methode om kernen van bepaalde isotopen te exciteren naar een hoger‑energetische nucleaire toestand. Door neutronenbombardement worden isomeer‑kernen geëxciteerd naar metastabiele isomeer‑toestanden voordat gestimuleerde emissie van gamma‑stralen wordt getriggerd om coherentie vanuit de kern te bereiken.

Hun nieuwe en “enigszins onconventionele” methode beoogt het ‘Graser‑dilemma’ op te lossen door het kristalrooster te verschuiven tijdens het neutronenbombardement. 

“De technologie heeft het potentieel om extreem krachtige lasers te creëren die kunnen worden gebruikt in diverse toepassingen, inclusief laserwapens,” merkte Yordan Katsarov van de Afdeling Luchtvaartapparatuur en Technologieën, onderdeel van de Georgi Benkovski Bulgaarse Luchtmachtacademie, op.

Nu hebben wetenschappers van de Universiteit van Colorado Denver een chip gecreëerd die op een dag gamma‑straallasers zou kunnen ontgrendelen.

Dit baanbrekende kwantumapparaat, klein genoeg om in je hand te passen, kan extreme elektromagnetische velden genereren die voorheen alleen mogelijk waren in massieve deeltjesversnellers. De duim‑grootte chip heeft het potentieel om mijlenlange deeltjesversnellers in de nabije toekomst te vervangen en ons te helpen de diepe mysteries van ons universum te ontrafelen, multiversumtheorieën te testen, en krachtige gamma‑straallasers te creëren om kankercellen op atomair niveau te vernietigen en andere revolutionaire medische behandelingen mogelijk te maken.

Veeg om te scrollen →

Een Klein Chip Brengt Dromen over Gamma‑lasers Binnen Handbereik

Gepubliceerd in Advanced Quantum Technologies, een tijdschrift dat theoretisch en experimenteel onderzoek in kwantumwetenschap, materialen en technologieën behandelt, werd de laatste studie³ op de cover van het juni‑nummer geplaatst.

Zoals de studie opmerkt, is nanometrische confinatie van elektromagnetische energie mogelijk met behulp van plasmons.

Een plasmon is een kwantum van plasmasonde, wat een snelle oscillatie van de elektrondichtheid in plasma’s of metalen is. Deze quasideeltjes ontstaan door collectieve oscillaties van het geleidingsband‑elektronengas.

En “extreme plasmons ontketenen ongeëvenaarde mogelijkheden, inclusief toegang tot ongekende petavolt per meter‑velden” (PV/m‑velden), die extreem hoge elektrische veldsterkten zijn, die volgens de studie “nieuwe, brede mogelijkheden openen, inclusief die in de deeltjesfysica en fotonwetenschappen via nanometrische confinatie van grootschalige elektromagnetische energie.”

Dus hebben de onderzoekers een analytisch model van deze klasse plasmons ontwikkeld op basis van een kwantum‑kinetisch raamwerk.

Deze nieuwste doorbraak werd gerealiseerd aan de Universiteit van Colorado Denver met als doel ons begrip van fysica en chemie te revolutioneren.

“Het is zeer opwindend omdat deze technologie geheel nieuwe onderzoeksvelden zal openen en een directe impact op de wereld zal hebben.”

– Aakash Sahai, assistent‑professor elektrotechniek aan CU Denver

Sahai, samen met Kalyan Tirumalasetty, een student in zijn laboratorium die aan de technologie werkt, komt dichter bij het bieden van een nieuw instrument aan de wetenschappelijke gemeenschap om sci‑fi in de realiteit te veranderen.

“In het verleden hebben we technologische doorbraken gehad die ons vooruit hielpen, zoals de sub‑atomische structuur die leidde tot lasers, computerchips en LED’s. Deze innovatie, die ook gebaseerd is op materiaalkunde, ligt op dezelfde lijn,” voegde Sahai toe, die een PhD in plasmafysica heeft van Duke University en een master in elektrotechniek van Stanford University.

Wat in deze studie is bereikt, is een manier om extreme elektromagnetische velden in het laboratorium te creëren die voorheen onmogelijk waren.

Deze elektromagnetische velden voeden alles van onze computerchips tot super‑deeltjesversnellers, die sub‑atomaire deeltjes versnellen en laten botsen met extreem hoge energieën om inzicht te krijgen in de aard van materie, energie en het vroege universum. 

Het is wanneer elektronen in een materiaal trillen en stuiteren met extreem hoge snelheden dat deze elektromagnetische velden worden gecreëerd.

Echter, het creëren van voldoende sterke velden voor geavanceerde experimenten vereist enorme, dure faciliteiten.

Zo gebruiken wetenschappers die onderzoek doen naar donkere materie machines zoals de Large Hadron Collider (LHC) bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, CERN, die het grootste deeltjesfysisch laboratorium ter wereld is, gelegen in Zwitserland. De LHC is de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, met een ring van 16,7 mijl (27 kilometer) supergeleidend magneten en diverse versnellingsstructuren om de energie van de deeltjes onderweg te verhogen.

Experimenten op zo’n schaal vereisen enorme middelen. Het is niet alleen erg duur, maar kan ook zeer volatiel zijn.

Om dit probleem te overwinnen, heeft Sahai’s laboratorium een op silicium (Si) gebaseerd, chip‑achtig materiaal gebouwd, ter grootte van je duim.

Silicium is een halfgeleider waarvan de eigenschappen (elektrische geleidbaarheid) kunnen worden aangepast door onzuiverheden toe te voegen (doping) en wordt gebruikt om microchips te vervaardigen die in alledaagse apparaten zoals mobiele telefoons, maar ook zelfrijdende auto’s, te vinden zijn.

Het nieuwe chip‑achtige materiaal kan hoge‑energetische deeltjesbundels aan en de energiestroom beheersen. Het stelt wetenschappers bovendien in staat toegang te krijgen tot elektromagnetische velden die worden geproduceerd door de trillingen of oscillaties van het kwantum‑elektrongas. En dit alles gebeurt in een piepklein ruimte.

De snelle beweging (oscillaties) creëert de elektromagnetische velden, terwijl Sahai’s techniek het materiaal in staat stelt de warmte‑stroom die door de trillingen wordt gegenereerd te beheren en het monster stabiel en intact te houden.

“Het manipuleren van zo’n hoge energiestroom terwijl de onderliggende structuur van het materiaal behouden blijft, is de doorbraak. Deze technologische doorbraak kan een echte verandering in de wereld teweegbrengen. Het gaat erom te begrijpen hoe de natuur werkt en die kennis te gebruiken om een positieve impact op de wereld te maken.”

– Tirumalasetty

Hun technologie kan mogelijk lange versnellers tot een chip verkleinen en wetenschappers in staat stellen activiteit te zien zoals nooit tevoren.

De universiteit heeft al voorlopige patenten aangevraagd en verkregen op de technologie, zowel in de VS als internationaal.

De praktische, real‑world toepassingen van de technologie zullen echter jaren duren om te realiseren. 

Feitelijk begon een deel van het fundamentele werk aan de technologie zeven jaar geleden, in 2018, toen Sahai zijn onderzoek publiceerde over antimaterie‑versnellers. Hij zei:

“Het zal even duren, maar binnen mijn leven is het zeer waarschijnlijk.”

Dat gezegd hebbende, heeft het een groot potentieel om ons te helpen beter te begrijpen hoe het universum werkt op fundamenteel niveau en zo levens te verbeteren. Zoals Sahai opmerkte, zou dit ook gamma‑straallasers tot realiteit kunnen maken.

“We zouden weefsel kunnen beeldvormen tot niet alleen de kern van cellen, maar tot de kern van de onderliggende atomen. Dat betekent dat wetenschappers en artsen zouden kunnen zien wat er op nucleair niveau gebeurt, en dat zou ons begrip van enorme krachten die op zulke kleine schalen domineren kunnen versnellen en leiden tot betere medische behandelingen en genezingen,” legde hij uit. “Uiteindelijk zouden we gamma‑straallasers kunnen ontwikkelen om de kern te modificeren en kankercellen op nano‑niveau te verwijderen.”

De ‘extreme plasmons’ techniek, die ook de titel van de studie is, kan ons ook helpen de mogelijkheid van een multiversum te testen.

Het werk aan de kleine chip is echter nog niet voltooid. Zowel Sahi als Tirumalasetty zullen zich nu richten op het verfijnen van het silicium‑chip‑materiaal en de lasertechniek bij het SLAC National Accelerator Laboratory, een wereldklasse faciliteit beheerd door Stanford University en gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), waar de technologie werd getest.

Het Simuleren van het Kwantumvacuum met Ultra‑krachtige Lasers

Dus, zoals we zagen, van de kosmos tot het laboratorium evolueert ons begrip van het meest extreme licht in het universum snel. 

We hebben gamma‑straaluitbarstingen van verre pulsars vastgelegd, superzware zwarte gaten vlammen in hoog‑energetische glorie gezien, en zelfs de bliksem‑achtige botsingen die terrestrische gamma‑flitsen produceren geregistreerd. Nu leren we vergelijkbare omstandigheden hier op aarde te reproduceren. 

Een paar maanden geleden simuleerden fysici aan de Universiteit van Oxford hoe intense laserstralen licht kunnen genereren waar geen licht was, en maakten zo een theoretisch concept realiteit. 

Wat de fysici hebben bereikt, is dat ze voor het eerst 3D‑simulaties hebben gemaakt van hoe intense laserstralen het kwantumvacuum kunnen beïnvloeden en veranderen.

Gepubliceerd in Communications Physics, de studie⁴ beschrijft het gebruik van geavanceerde computationele modellering om te simuleren hoe krachtige lasers interageren met het kwantumvacuum, waarbij wordt onthuld hoe fotonen van elkaar afstoten en nieuwe lichtbundels produceren.

De simulaties recreeerden vacuüm‑viergolven‑mixing (FWM), een fenomeen voorspeld door de kwantumfysica dat stelt dat het gecombineerde elektromagnetische veld van drie gefocuste laserpulsen een vacuüm‑virtueel elektronen‑positronpaar kan polariseren, waardoor een nieuw laser‑bundel ontstaat in wat het ‘licht uit duisternis’ proces wordt genoemd. 

“Dit is niet alleen een academische curiositeit – het is een grote stap richting experimentele bevestiging van kwantumeffecten die tot nu toe grotendeels theoretisch waren.”

– Studie‑co‑auteur Peter Norreys, professor aan de Universiteit van Oxford

De simulaties werden uitgevoerd met een geavanceerde versie van een simulatiesoftware (OSIRIS), die de interactie van laser bundels met plasma of materie modelleert.

“Ons computerprogramma geeft ons een tijd‑opgeloste, 3D‑venster in kwantum‑vacuum‑interacties die voorheen onbereikbaar waren. Door ons model toe te passen op een drie‑bundel‑verstrooiingsexperiment, konden we het volledige scala aan kwantum‑signaturen vastleggen, samen met gedetailleerde inzichten in het interactieregion en belangrijke tijdschalen.”

– Zixin (Lily) Zhang, hoofd‑auteur van de studie & doctoraatsstudent aan de afdeling Natuurkunde van Oxford

Deze modellen worden door onderzoekers gebruikt om real‑world experimenten te ontwerpen, zoals laser‑vormen en puls‑timings. Bovendien kunnen de simulaties nieuwe inzichten bieden in hoe zelfs kleine asymmetrieën in de bundelgeometrie het resultaat kunnen veranderen en hoe interacties in realtime verlopen.

Naast het helpen plannen van toekomstige hoog‑energie‑laserexperimenten, gelooft het team dat het instrument ook kan helpen zoeken naar tekenen van hypothetische sub‑atomische deeltjes zoals axionen, een toonaangevende kandidaat voor donkere materie.

“Een breed scala aan geplande experimenten bij de meest geavanceerde laserfaciliteiten zal grootelijk worden ondersteund door onze nieuwe computationele methode geïmplementeerd in OSIRIS,” zei studie‑co‑auteur Luis Silva, professor aan het Instituto Superior Tecnico, Universiteit van Lissabon. “De combinatie van ultra‑intense lasers, state‑of‑the‑art detectie, geavanceerde analytische en numerieke modellering vormen de basis voor een nieuw tijdperk in laser‑materie‑interacties, die nieuwe horizonnen openen voor fundamentele fysica.”

Investeren in Lasertechnologie

Aangezien een gamma‑straallaser nog niet is gerealiseerd, zullen we kijken naar het investeringspotentieel van een bedrijf dat zich bezighoudt met algemene lasertechnologie. 

L3Harris Technologies (LHX ) is een grote speler in geavanceerde fotonica en hoog‑energie‑lasersystemen voor defensie en lucht‑ en ruimtevaart. Het bedrijf produceert diverse lasersystemen, die bekend staan om hun compacte formaat en hoge prestaties. 

Met een marktkapitalisatie van $50,7 miljard, worden LHX‑aandelen momenteel verhandeld tegen $272,31, een stijging van 29 % YTD. Eerder deze maand bereikte de aandelenkoers een nieuw hoogtepunt van $280,52, meer dan 45 % hoger sinds het dieptepunt in april. Daarbij is de EPS (TTM) 8,96, en de P/E (TTM) 30,27.

LHX‑aandeelhouders kunnen genieten van een dividendrendement van 1,77 %.

Wat de financiële cijfers betreft, rapporteerde L3Harris Technologies een omzet van $5,4 miljard en orders van $8,3 miljard voor Q2 2025. De operationele marge van het bedrijf bedroeg 10,5 % en de aangepaste segment‑operationele marge 15,9 %. De verwaterde EPS kwam uit op $2,44, terwijl een stijging van 16 % in non‑GAAP verwaterde EPS het op $2,78 bracht.

“We leverden indrukwekkende resultaten voor het tweede kwartaal, geleid door een record boek‑tot‑factuur van 1,5×, solide organische groei, en jaar‑over‑jaar uitbreiding van de aangepaste segment‑operationele marge voor het zevende opeenvolgende kwartaal,” zei CEO Christopher E. Kubasik. “Dit markeert een duidelijk keerpunt, met onze sterkste toplijn‑groei in zes kwartalen en betekenisvolle vooruitgang richting ons Financieel Kader 2026.”

Kubasik merkte ook op dat defensie “een generatieve investeringscyclus ingaat, aangezien de budgetten van de VS en bondgenoten snel groeien,” en dat het portfolio van het bedrijf is afgestemd op sleutel‑groeigebieden om “duurzame winstgevende groei en langetermijnwaardecreatie” te realiseren.

Laatste L3Harris Technologies (LHX) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Conclusie

Wetenschappers en ingenieurs blijven de grenzen van licht en materie verleggen. Dergelijke vooruitgangen maken het nu zelfs mogelijk dat gamma‑straallasers van een louter theorie naar transformerende technologie evolueren. Het benutten van deze extreme vorm van licht kan niet alleen de fysica herdefiniëren, maar ook geneeskunde, energie en ons begrip van het universum zelf hervormen!

Klik hier voor een lijst van top‑quantum‑computing bedrijven.

Referenties:

1. Wada, Y., Morimoto, T., Wu, T., Wang, D., Kikuchi, H., Nakamura, Y., Yoshikawa, E., Ushio, T., & Tsuchiya, H. Naar beneden gerichte terrestrische gamma‑flits geassocieerd met botsing van bliksemsleiders. Science Advances, 11(21), eads6906, gepubliceerd 21 mei 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.ads6906
2. Katsarov, Y. Een nieuwe benadering voor de ontwikkeling van gamma‑straallaser. Environment. Technology. Resources. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference, 4, 467–474, gepubliceerd 2025. https://doi.org/10.17770/etr2025vol4.8388
3. Sahai, A. A. Extreme plasmons. Advanced Quantum Technologies, gepubliceerd 19 mei 2025. https://doi.org/10.1002/qute.202500037
4. Zhang, Z., Aboushelbaya, R., Ouatu, I., et al. Computationale modellering van het semi‑klassieke kwantumvacuum in 3D. Communications Physics, 8, 224, gepubliceerd 5 juni 2025. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02128-8