De toekomst inluiden met gammastraallasers

Zouden er nog meer universums kunnen zijn, identiek of verschillend van het onze? Nou, dat weten we nog niet.  

Hoewel Stephen Hawking's multiversumtheorie een belangrijk concept is in de MCU, is het een hypothetische verzameling van alle universums met hun eigen ruimte, tijd, materie, energie en natuurkundige wetten. De theorie is echter nog steeds onbewezen en bestaat alleen in films en theoretische natuurkunde.

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

In de natuurkunde is een kwantum de enkelvoudige vorm van quanta is de minimale hoeveelheid van een fysieke entiteit. Het kwantum licht is bijvoorbeeld een foton.

Om nu de mysteries van het universum te ontrafelen, We hebben een speciaal kwantumapparaat nodig: een gammalaser.

Dit hypothetische apparaat zou coherente gammastraling kunnen produceren, net zoals een gewone laser coherente stralen zichtbaar licht produceert. Een gammastraal (symbool γ) is een doordringende vorm van elektromagnetische straling die ontstaat door hoogenergetische interacties zoals het radioactieve verval van atoomkernen. Het ontstaat ook door astronomische gebeurtenissen zoals zonnevlammen. 

Gammastraling bestaat uit elektromagnetische golven met de kortste golflengte, korter dan röntgenstraling. Ze hebben frequenties boven 30 exahertz en golflengten onder 10 picometer. Gammafotonen hebben ook de hoogste fotonenergie van alle vormen van elektromagnetische straling.

Een paar jaar geleden ontdekten wetenschappers gedetecteerd de allerhoogste gammastraling ooit, 20 tera-elektronvolt, wat ongeveer tien biljoen keer de energie van zichtbaar licht is, afkomstig van een dode ster, een zogenoemde pulsar. 

Eind vorig jaar ontdekten astrofysici ondertussen gevangen beelden van gammaflitsen van het superzware zwarte gat M87.

Bron afbeelding: University of California

Eerder dit jaar werd een intense gammaflits met meerdere sensoren gedetecteerd was opgemerkt bij de botsing van twee bliksemleiders¹Het was de eerste keer dat een aardse gammaflits (TGF) werd waargenomen in synchronisatie met de ontlading van bliksem.

Gammastraling, die in verschillende kosmische verschijnselen wordt waargenomen, wordt ook actief bestudeerd en gecreëerd via specifieke experimenten.

Experimenten met gammastralingslasers en haalbaarheidsstudies

Gammastraling is een vorm van elektromagnetische straling met hoge energie die zeer doordringend is en verschillende voordelen biedt.op verschillende gebieden. 

Mogelijke toepassingen zijn onder meer medische beeldvorming, voortstuwing van ruimtevaartuigen, kankerbehandeling, en interstellaire reizen. Gezien de enorme mogelijkheden ervan onderzoeken wetenschappers over de hele wereld de ontwikkeling van een gammalaser, of graser, om coherente gammastralen te produceren. 

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

In de jaren tachtig bedachten Gérard Mourou en Donna Strickland aan de Universiteit van Rochester getjirpte pulsversterking (CPA), een techniek die het piekvermogen van lasers verhoogt en later de Nobelprijs voor natuurkunde in 2018 won. De ontwikkeling van lasers die gammastraling produceren, is echter nog niet voltooid. Om dit 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 ze coherente gammastralen kunnen produceren.

"Het vermogen om coherente gammastralen te produceren zou een wetenschappelijke revolutie betekenen in de ontwikkeling van nieuwe soorten lichtbronnen, vergelijkbaar met de manier waarop de ontdekking en ontwikkeling van zichtbaar licht en röntgenbronnen ons fundamentele begrip van de atomaire wereld heeft veranderd.”

– De hoofdonderzoeker, Antonino Di Piazza en professor van fysica op de universiteit

Om te bestuderen hoe elektronen met lasers interacteren om hoogenergetisch licht uit te zenden, kijken de onderzoekers eerst naar de manier waarop één of twee elektronen licht uitzenden. Daarna gaan ze ingewikkelder situaties onderzoeken waarin veel elektronen coherente gammastralen produceren. 

"“Wij zijn niet de eerste wetenschappers die op deze manier hebben geprobeerd gammastraling te creëren”, aldus Di Piazza destijds.”Maar we doen dat met behulp van een volledige kwantumtheorie: kwantumelektrodynamica. Dit is een geavanceerde aanpak om dit probleem aan te pakken."

Een andere aanpak voor de ontwikkeling van gammastraallasers is nucleaire isomeer-excitatie. 

A research paper² Een paar maanden geleden werd de methode beschreven om kernen van bepaalde isotopen te exciteren tot een hogere energietoestand. Met behulp van neutronenbombardement worden isomere kernen geëxciteerd tot metastabiele isomere toestanden, waarna gestimuleerde emissie van gammastraling wordt geactiveerd om coherentie vanuit de kern te bereiken.

Hun nieuwe en ‘enigszins onconventionele’ methode is erop gericht 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 worden gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder laserwapens,", aldus Yordan Katsarov van de afdeling Luchtvaartapparatuur en -technologieën, die deel uitmaakt van de Georgi Benkovski Bulgaarse Luchtmachtacademie.

Wetenschappers van de Universiteit van Colorado Denver hebben nu een chip ontwikkeld die in de toekomst gammastraallasers mogelijk maakt.

Dit baanbrekende kwantumapparaat, dat klein genoeg is om in je hand te passen, kan extreme elektromagnetische velden opwekken die voorheen alleen mogelijk waren in zware deeltjesversnellers. De chip ter grootte van een duim heeft de potentie om in een niet al te verre toekomst kilometerslange deeltjesversnellers te vervangen en ons te helpen de diepe mysteries van ons universum te ontrafelen, multiversumtheorieën te testen en krachtige gammalasers te creëren om kankercellen op atomair niveau te vernietigen en andere revolutionaire medische behandelingen mogelijk te maken.

Veeg om te scrollen →

Een kleine chip brengt gammalaserdroom binnen bereik

Gepubliceerd in Advanced Quantum Technologies, een tijdschrift dat theoretisch en experimenteel onderzoek behandelt op het gebied van kwantumwetenschap, materialen en technologieën, nieuwste onderzoek³ stond op de cover van het juninummer.

Zoals in het onderzoek werd opgemerkt, is nanometrische opsluiting van elektromagnetische energie mogelijk met behulp van plasmonen.

Een plasmon is een kwantum van plasma-oscillatie, dat is een snelle oscillatie van de elektronendichtheid in plasma's of metalen. Deze quasideeltjes worden gevormd door collectieve oscillaties van het geleidingsband-elektronengas. 

En "extreme plasmonen ontsluiten ongeëvenaarde mogelijkheden, waaronder toegang tot ongekende petavolt-per-meter-velden" (PV/m-velden), wat extreem hoge elektrische veldsterktes zijn, die volgens de studie "nieuwe, breed scala aan mogelijkheden openen, waaronder die in de deeltjesfysica en fotonwetenschappen door nanometrische opsluiting van elektromagnetische energie op grote schaal."

Daarom hebben de onderzoekers een analytisch model van deze klasse plasmonen ontwikkeld, gebaseerd op een kwantumkinetisch raamwerk.

Deze laatste doorbraak werd bereikt aan de Universiteit van Colorado Denver met als doel onze kennis van natuurkunde en scheikunde te revolutioneren.

“Het is heel spannend, omdat deze technologie geheel nieuwe onderzoeksgebieden zal openen en een directe impact op de wereld zal hebben.”

– Aakash Sahai, assistent-professor elektrotechniek aan CU Denver

Sahai komt samen met Kalyan Tirumalasetty, een student in zijn laboratorium die met hem aan de technologie werkt, steeds dichter bij het bieden van een nieuw hulpmiddel aan de wetenschappelijke gemeenschap waarmee ze sciencefiction werkelijkheid kunnen laten worden.

“In het verleden hebben we technologische doorbraken gehad die ons vooruit hebben gestuwd, zoals de subatomaire structuur die leidde tot lasers, computerchips en leds. Deze innovatie, die is ook gebaseerd “Het onderzoek naar materiaalkunde ligt in dezelfde lijn”, voegde Sahai toe. die een doctoraat in plasmafysica heeft van Duke University en een masterdiploma in elektrotechniek van Stanford University.

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

Deze elektromagnetische velden voorzien alles van energie, van computerchips tot superdeeltjesversnellers. Deze versnellen en laten subatomaire deeltjes met extreem hoge energieën botsen om inzicht te krijgen in de aard van materie, energie en het vroege heelal. 

Het is wanneer elektronen in een materiaal trillen en stuiteren met extreem hoge snelheden dat deze elektromagnetische velden ontstaan zijn gemaakt.

Om echter velden te creëren die sterk genoeg zijn om geavanceerde experimenten uit te voeren, zijn enorme, dure faciliteiten nodig.

Wetenschappers die onderzoek doen naar donkere materie gebruiken bijvoorbeeld machines als de Large Hadron Collider (LHC). bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, CERN, die 's werelds grootste laboratorium voor deeltjesfysica gevestigd in Zwitserland. LHC is de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, waarbij een 16.7 kilometer lange ring van supergeleidende magneten is betrokken met verschillende versnellende structuren om de energie van de deeltjes onderweg te vergroten.

Experimenten op zo'n schaal uitvoeren vereist enorme middelen. Het is niet alleen erg duur, maar kan ook zeer onvoorspelbaar zijn.

Om dit probleem te verhelpen, 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 veranderd door onzuiverheden toe te voegen (doping). Het wordt gebruikt voor de productie van microchips die in alledaagse apparaten als mobiele telefoons en zelfrijdende auto's worden gebruikt.

Het nieuwe chipachtige materiaal kan hoogenergetische deeltjesbundels verwerken en de energiestroom regelen. Het stelt wetenschappers en onderzoekers ook in staat om toegang te krijgen tot elektromagnetische velden die zijn geproduceerd door de trillingen of oscillaties van het kwantumelektronengas. En dit alles gebeurt in een kleine ruimte.

De snelle bewegingen (trillingen) creëren elektromagnetische velden, terwijl Sahai's techniek ervoor zorgt dat het materiaal de warmtestroom die door de trillingen wordt gegenereerd, kan beheersen en het monster stabiel en intact houdt.

Het manipuleren van zo'n hoge energiestroom met behoud van de onderliggende structuur van het materiaal 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 gebruiken om een positieve impact op de wereld te hebben."

- Tirumalasetty

Hun technologie kan mogelijk Lange deeltjesversnellers verkleinen tot een chip en wetenschappers activiteiten laten zien zoals nooit tevoren.

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

Het zal echter nog jaren duren voordat de technologie daadwerkelijk in de praktijk kan worden toegepast. 

In feite begon een deel van het fundamentele werk van de technologie zeven jaar geleden in 2018, toen Sahai zijn onderzoek naar antimaterieversnellers publiceerde. Hij zei:

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

Dat gezegd te hebben, Het heeft een groot potentieel om ons te helpen de manier waarop het universum op fundamentele schaal werkt beter te begrijpen en zo levens te verbeteren. Zoals Sahai opmerkte, zou dit ook gammalasers werkelijkheid kunnen maken.

"We zouden weefsel niet alleen tot in de celkern kunnen afbeelden, maar ook tot in de kern van de onderliggende atomen. Dat betekent dat wetenschappers en artsen kunnen zien wat er op nucleair niveau gebeurt, en dat zou ons begrip van de immense krachten die op zulke kleine schaal domineren, kunnen versnellen en tegelijkertijd kunnen leiden tot betere medische behandelingen en geneeswijzen", legde hij uit. "Uiteindelijk zouden we gammalasers kunnen ontwikkelen om de celkern te modificeren en kankercellen op nanoniveau te verwijderen."

De 'extreme plasmonen'-techniek, tevens de titel van het onderzoek, kan ons ook helpen de mogelijkheid van een multiversum te testen.

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

Het simuleren van het kwantumvacuüm met ultrakrachtige lasers

Zoals we zagen, ontwikkelt ons begrip van het meest extreme licht in het heelal zich razendsnel, van de kosmos tot het laboratorium. 

We hebben gammaflitsen van verre pulsars vastgelegd, superzware zwarte gaten vlammen in hoogenergetische glorie, en registreerden zelfs de bliksemachtige botsingen die aardse gammaflitsen veroorzaken. Nu leren we vergelijkbare omstandigheden hier op aarde na te bootsen. 

Een paar maanden geleden simuleerden natuurkundigen aan de Universiteit van Oxford hoe intense laserstralen licht kunnen genereren waar er voorheen geen licht was. Daarmee werd een theoretisch concept werkelijkheid. 

Het is de natuurkundigen gelukt om voor het eerst 3D-simulaties te maken van hoe intense laserstralen het kwantumvacuüm kunnen beïnvloeden en veranderen.

Gepubliceerd in Communications Physics, de studie⁴ Met behulp van geavanceerde computermodellen wordt gedetailleerd gesimuleerd hoe krachtige lasers interacteren met het kwantumvacuüm. Hierbij wordt duidelijk hoe fotonen van elkaar afkaatsen en nieuwe lichtbundels produceren.

De simulaties bootsten vacuüm vier-golfmenging (FWM) na, een fenomeen dat werd voorspeld door de kwantumfysica. Deze stelt dat het gecombineerde elektromagnetische veld van drie gefocuste laserpulsen de virtuele elektron-positronparen in een vacuüm kan polariseren, waardoor een nieuwe laserstraal ontstaat in wat het 'licht uit duisternis'-proces wordt genoemd. 

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

– Medeauteur van de studie Peter Norreys, hoogleraar aan de Universiteit van Oxford

De simulaties werden gerund met behulp van een geavanceerde versie van een simulatiesoftware (OSIRIS), die lasers modelleert interactie van balken met plasma of materie.

Ons computerprogramma geeft ons een tijdsafhankelijk, 3D-venster naar kwantumvacuüminteracties die voorheen buiten bereik lagen. Door ons model toe te passen op een experiment met drie bundels verstrooiing, konden we het volledige spectrum aan kwantumsignaturen vastleggen, samen met gedetailleerde inzichten in het interactiegebied en de belangrijkste tijdschalen.

– Zixin (Lily) Zhang, hoofdauteur van de studie en doctoraalstudent aan de faculteit natuurkunde van Oxford

Deze modellen worden door onderzoekers gebruikt om realistische experimenten te ontwerpen, bijvoorbeeld met betrekking tot laservormen en pulstimings. Bovendien kunnen de simulaties nieuwe inzichten bieden in hoe zelfs kleine asymmetrieën in de bundelgeometrie de uitkomst kunnen veranderen en hoe interacties in real-time verlopen.

Het team denkt dat de tool niet alleen kan helpen bij de planning van toekomstige experimenten met lasers met hoge energie, maar ook kan helpen bij de zoektocht naar tekenen van hypothetische subatomaire deeltjes zoals axionen, een belangrijke kandidaat voor donkere materie.

“Een breed scala aan geplande experimenten in de meest geavanceerde laserfaciliteiten zal enorm geholpen worden "Door onze nieuwe computationele methode, geïmplementeerd in OSIRIS", aldus co-auteur Luis Silva, hoogleraar aan het Instituto Superior Tecnico van de Universiteit van Lissabon. "De combinatie van ultra-intensieve lasers, state-of-the-art detectie en geavanceerde analytische en numerieke modellering vormt de basis voor een nieuw tijdperk in laser-materie-interacties, dat nieuwe horizonten zal openen voor de fundamentele natuurkunde."

Investeren in lasertechnologie

Aangezien er nog geen gammalaser is gerealiseerdgaan we kijken naar het investeringspotentieel van een bedrijf dat zich bezighoudt met algemene lasertechnologie. 

L3Harris-technologieën (LHX ) is een belangrijke speler in geavanceerde fotonica en hoogenergetische lasersystemen voor defensie en de 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 noteren de aandelen van LHX momenteel voor $ 272.31, een stijging van 29% tot nu toe dit jaar. Begin deze maand bereikten de aandelen van het bedrijf een nieuw record van $ 280.52, een stijging van meer dan 45% ten opzichte van het dieptepunt in april. Daarmee bedraagt ​​de winst per aandeel (WPA) 8.96 en de koers-winstverhouding (K/W) 30.27.

LHX-aandeelhouders kunnen genieten van een dividendrendement van 1.77%.

Wat de financiële resultaten van het bedrijf betreft, rapporteerde L3Harris Technologies een omzet van $ 5.4 miljard en orders van $ 8.3 miljard voor het tweede kwartaal van 2. De operationele marge van het bedrijf bedroeg 2025% en de aangepaste operationele marge van het segment 10.5%. De verwaterde winst per aandeel (WPA) bedroeg $ 15.9, terwijl een stijging van 2.44% van de verwaterde WPA (non-GAAP) op $ 16 uitkwam.