Inn i fremtiden med gammastrålelasker

Kan det finnes flere universer der ute, identiske eller forskjellige fra vårt? Vel, vi vet det ikke ennå.  

Mens et fremtredende konsept i MCU, Stephen Hawking sin multiverssteori, som er et hypotetisk sett av alle universer med sine egne rom, tid, materie, energi og fysiske lover, forblir ubevist, og eksisterer kun i filmens og teoretisk fysikkens verden.

Det vi trenger å bevise er eksistensen av en kvanteenhet. Den er enkelt sagt et system som bruker kvantemekaniske effekter for å operere, og baserer seg på kontroll og manipulering av kvanteinteraksjoner for å oppnå funksjonalitet som ikke er mulig i klassiske systemer.

I fysikk er en kvante, entallsformen av kvanta, den minste mengden av enhver fysisk enhet. For eksempel er kvanten av lys et foton.

Nå, for å avdekke universets mysterier, trenger vi en spesiell kvanteenhet: en gammastrålelasser.

Denne hypotetiske enheten ville kunne produsere koherente gammastråler, på samme måte som en vanlig laser produserer koherente stråler av synlig lys. En gammastråle (symbol γ) er en gjennomtrengende form for elektromagnetisk stråling som oppstår fra høyenergi‑interaksjoner som radioaktivt henfall av atomkjerner. Den oppstår også fra astronomiske hendelser som solstormer. 

Gammastråler består av de korteste bølgelengdene innen elektromagnetisk stråling, kortere enn røntgenstråler. De har frekvenser over 30 exahertz og bølgelengder kortere enn 10 picometer. Gammastrålefotoner har også den høyeste fotonenergien av alle former for elektromagnetisk stråling.

For noen år siden oppdaget forskere de høyeste energigammastrålene noensinne, 20 tera‑elektronvolt, som er omtrent ti billioner ganger energien til synlig lys, fra en død stjerne kalt en pulsar. 

Sist år, imidlertid, fanget astrofysikere bilder av gammastråle‑flare fra supermassiv sort hull M87.

Bildekilde: University of California

Tidligere i år ble en multi‑sensor‑deteksjon av en intens gammastråle‑blits observert ved kollisjonen av to lyn‑ledere¹. Det var første gang en terrestrisk gammastråle‑blits (TGF) ble observert i synkronisering med lynutladningen.

Observert i ulike kosmiske fenomener, studeres og produseres gammastråler også aktivt gjennom spesifikke eksperimenter.

Gamma‑strålelasker‑eksperimenter og gjennomførbarhetsstudier

Gammastråler er en form for høy‑energi elektromagnetisk stråling som er svært gjennomtrengende og tilbyr flere fordeler i ulike felt. 

Potensielle anvendelser inkluderer medisinsk bildediagnostikk, romfartsmotorer, kreftbehandling, og interstellart reise. Gitt de enorme mulighetene, ser forskere verden over på å lage en gammastrålelasser, eller graser, for å produsere koherente gammastråler. 

Forskere fra University of Rochester mottok føderal finansiering for dette, og de studerer gjennomførbarheten til koherente lyskilder.

På 1980‑tallet oppfant Gérard Mourou og Donna Strickland ved University of Rochester chirped pulse amplification (CPA), en teknikk som øker toppkraften til lasere og senere vant Nobelprisen i fysikk i 2018. Å utvikle lasere som produserer gammastråler er imidlertid ennå ikke oppnådd. For å takle dette undersøker de koherenseegenskapene til strålingen som emitteres når tette bunt av elektroner kolliderer med et sterkt laserfelt, som vil hjelpe dem å forstå hvordan man kan produsere koherente gammastråler.

“Evnen til å lage koherente gammastråler ville være en vitenskapelig revolusjon i å skape nye typer lyskilder, på samme måte som oppdagelsen og utviklingen av synlig lys og røntgenkilder endret vår grunnleggende forståelse av den atomære verden.”

– Hovedforsker, Antonino Di Piazza & professor i fysikk ved universitetet

For å studere hvordan elektroner interagerer med lasere for å emittere høy‑energi lys, vil forskerne begynne med å se på hvordan én eller to elektroner emitterer lys før de undersøker mer kompliserte situasjoner med mange elektroner for å produsere koherente gammastråler. 

“Vi er ikke de første forskerne som har forsøkt å lage gammastråler på denne måten,” sa Di Piazza på den tiden. “Men vi gjør det ved å bruke en fullstendig kvanteteori—kvanteelektrodynamikk—som er en avansert tilnærming til å løse dette problemet.“

En annen tilnærming til utvikling av gammastrålelasker inkluderer kjerne‑isomer‑eksitasjon. 

Et forskningspapir² fra noen måneder siden beskrev metoden for å excitere kjerner av visse isotoper til en høyere‑energi nukleær tilstand. Ved nøytronbombardement blir isomeriske kjerner excitert til metastabile isomer‑tilstander før stimulert emisjon av gammastråler trigges for å oppnå koherens fra kjernen.

Deres nye og «noe ukonvensjonelle» metode har som mål å løse ‘Graser‑dilemmaet’ ved å forskyve krystallgitteret under nøytronbombardementet. 

“Teknologien har potensial til å skape ekstremt kraftige lasere som kan brukes i ulike anvendelser, inkludert laservåpen,” bemerket Yordan Katsarov fra Avdeling for luftfartsutstyr og teknologier, som er en del av Georgi Benkovski Bulgarian Air Force Academy.

Nå har forskere fra University of Colorado Denver laget en chip som en dag kan låse opp gammastrålelasker.

Denne banebrytende kvanteenheten, som er liten nok til å passe i hånden din, kan generere ekstreme elektromagnetiske felt som tidligere kun var mulig i massive partikkel‑kolliderere. Den tommelstore chipen har potensial til å erstatte kilometerlange partikkel‑kolliderere i en ikke så fjern fremtid og hjelpe oss å avklare universets dype mysterier, teste multivers‑teorier, og skape kraftige gammastrålelasker for å ødelegge kreftceller på atomnivå og muliggjøre andre revolusjonerende medisinske behandlinger.

Swipe to scroll →

En liten chip bringer drømmen om gammastrålelasker innen rekkevidde

Publisert i Advanced Quantum Technologies, et tidsskrift som dekker teoretisk og eksperimentell forskning innen kvantevitenskap, materialer og teknologier, ble den seneste studien³ omtalt på forsiden av juni‑utgaven.

Som studien bemerker, er nanometrisk innestengning av elektromagnetisk energi mulig ved bruk av plasmons.

En plasmon er en kvante av plasma‑oscillasjon, som er en rask oscillasjon av elektron‑tettheten i plasmaer eller metaller. Disse kvasipartiklene dannes av kollektive oscillasjoner av ledningsbåndets elektron‑gass.

Og «ekstreme plasmons frigjør enestående muligheter, inkludert tilgang til utenkelige petavolt per meter‑felt» (PV/m‑felt), som er ekstremt høye elektriske felter, som studien bemerker, «åpner nye, brede muligheter, inkludert innen partikkelfysikk og fotonvitenskap gjennom nanometrisk innestengning av storskalig elektromagnetisk energi.»

Dermed har forskerne utviklet en analytisk modell av denne klassen av plasmons basert på et kvant‑kinetisk rammeverk.

Denne siste gjennombruddet ble gjort ved University of Colorado Denver med mål om å revolusjonere vår forståelse av fysikk og kjemi.

“Det er veldig spennende fordi denne teknologien vil åpne helt nye forskningsfelt og ha en direkte innvirkning på verden.”

– Aakash Sahai, assisterende professor i elektroteknikk ved CU Denver

Sahai, sammen med Kalyan Tirumalasetty, en student i hans laboratorium som jobber med teknologien, nærmer seg å gi det vitenskapelige fellesskapet et nytt verktøy for å gjøre sci‑fi til virkelighet.

«Tidligere har vi hatt teknologiske gjennombrudd som har drevet oss fremover, som den sub‑atomære strukturen som førte til lasere, databrikker og LED‑er. Denne innovasjonen, som også er basert på materialvitenskap, ligger på samme linje,» la Sahai til, som har en PhD i plasmafysikk fra Duke University og en mastergrad i elektroteknikk fra Stanford University.

Det som er oppnådd i denne studien er en måte å skape ekstreme elektromagnetiske felt i laboratoriet som tidligere var umulig.

Disse elektromagnetiske feltene driver alt fra våre databrikker til super‑partikkel‑kolliderere, som akselererer og kolliderer subatomære partikler med ekstremt høye energier for å få innsikt i materiens, energiens og universets tidlige natur. 

Det er når elektroner i et materiale vibrerer og spretter med ekstremt høye hastigheter at disse elektromagnetiske feltene skapes.

Imidlertid krever det å skape felter sterke nok til avanserte eksperimenter enorme, kostbare fasiliteter.

For eksempel bruker forskere som undersøker mørk materie maskiner som Large Hadron Collider (LHC) ved European Organization for Nuclear Research, CERN, som er verdens største partikkelfysikklaboratorium i Sveits. LHC er den kraftigste partikkelakseleratoren i verden, med en 16,7‑mil (27‑kilometer) ring av superledende magneter og flere akselerasjonsstrukturer for å øke partikkelenes energi underveis.

Å gjennomføre eksperimenter i så stor skala krever massive ressurser. Ikke bare er det svært kostbart, men det kan også være svært volatilt.

For å overkomme dette problemet har Sahais laboratorium bygget et silisium‑basert (Si) chip‑lignende materiale, på størrelse med tommelen din.

Silisium er et halvledermateriale hvis egenskaper (elektrisk ledningsevne) kan endres ved å tilsette urenheter (doping) og brukes til å produsere mikrobrikker som finnes i hverdagslige enheter som mobiltelefoner, samt selvkjørende biler.

Det nye chip‑lignende materialet kan håndtere høy‑energi partikkelstråler og kontrollere energiflyten. Det gjør også at forskere kan få tilgang til elektromagnetiske felt som produseres av vibrasjonene eller oscillasjonene til den kvantiske elektron‑gassen. Og alt dette oppnås i et lite rom.

Den raske bevegelsen (oscillasjonene) skaper de elektromagnetiske feltene, mens Sahais teknikk gjør at materialet kan håndtere varmestrømmen som genereres av vibrasjonen og hjelper med å holde prøven stabil og intakt.

“Å manipulere slik høy energistrøm mens man bevarer materialets underliggende struktur er gjennombruddet. Dette teknologiske gjennombruddet kan gjøre en reell forskjell i verden. Det handler om å forstå hvordan naturen fungerer og bruke den kunnskapen til å skape en positiv innvirkning på verden.“

– Tirumalasetty

Deres teknologi kan potensielt krympe lange kollisjonsanlegg til en chip og la forskere se aktivitet som aldri før.

Universitetet har allerede søkt om og fått foreløpige patenter på teknologien, både i USA og internasjonalt.

De praktiske, virkelige anvendelsene av teknologien vil imidlertid ta år å realisere. 

Faktisk begynte noe av teknologiens grunnleggende arbeid for syv år siden i 2018, da Sahai publiserte sin forskning på antimater‑akseleratorer. Han sa:

“Det vil ta en stund, men i løpet av min levetid er det svært sannsynlig.”

Med dette sagt, har den stort potensial til å hjelpe oss å forstå hvordan universet fungerer på sitt fundamentale nivå og dermed forbedre liv. Som Sahai bemerket, kan dette også gjøre gammastrålelasker til virkelighet.

“Vi kunne få bildediagnostikk av vev ned til ikke bare cellekjernen, men ned til kjernen av de underliggende atomene. Det betyr at forskere og leger ville kunne se hva som skjer på atomnivå, og det kunne akselerere vår forståelse av enorme krefter som dominerer på så små skalaer, samtidig som det fører til bedre medisinske behandlinger og kureringer,” forklarte han. “Til slutt kunne vi utvikle gammastrålelasker for å modifisere kjernen og fjerne kreftceller på nano‑nivå.”

‘Ekstreme plasmons’-teknikken, som også er tittelen på studien, kan også hjelpe oss med å teste muligheten for et multivers.

Arbeidet med den lille chipen er ikke ferdig, likevel. Både Sahai og Tirumalasetty vil nå fokusere på å finpusse silisium‑chip‑materialet og laserteknikken ved SLAC National Accelerator Laboratory, et verdensklasseanlegg drevet av Stanford University og finansiert av USAs energidepartement (DOE), hvor teknologien ble testet.

Simulering av kvantevakuum med ultra‑kraftige lasere

Så, som vi har sett, fra kosmos til laboratoriet, utvikler vår forståelse av det mest ekstreme lyset i universet seg raskt. 

Vi har fanget gammastråle‑utbrudd fra fjerne pulsarer, vært vitne til supermassive sorte hull‑flare i høy‑energi‑glans, og til og med registrert lyn‑lignende kollisjoner som produserer terrestriske gammastråle‑blits. Nå lærer vi å gjenskape lignende forhold her på jorden. 

For noen måneder siden simulerte fysikere ved University of Oxford hvordan intense laserstråler kan generere lys der det ikke var noe, og gjorde et teoretisk konsept til virkelighet. 

Det fysikerne har klart å gjøre, er at de for første gang kunne lage 3D‑simuleringer av akkurat hvordan intense laserstråler kan påvirke og endre kvantevakuumet.

Publisert i Communications Physics, studien⁴ beskriver bruk av avansert beregningsmodellering for å simulere hvor kraftige lasere interagerer med kvantevakuumet, og avslører i prosessen hvordan fotoner spretter av hverandre og produserer nye lysstråler.

Simuleringene gjenskapte vakuum‑fire‑bølge‑blanding (FWM), et fenomen forutsagt av kvantefysikk som sier at kombinasjonen av elektromagnetiske felt fra tre fokuserte laserpulser kan polarisere vakuumets virtuelle elektron‑positron‑par, og produsere en ny laserstråle i det som kalles «lys fra mørke»-prosessen. 

“Dette er ikke bare en akademisk nysgjerrighet – det er et stort skritt mot eksperimentell bekreftelse av kvanteeffekter som hittil har vært mest teoretiske.”

– Studie‑medforfatter Peter Norreys, professor ved University of Oxford

Simuleringene ble kjørt ved hjelp av en avansert versjon av simuleringsprogramvaren (OSIRIS), som modellerer laser strålenes interaksjon med plasma eller materie.

“Dataprogrammet vårt gir oss et tids‑oppløst, 3D‑vindu inn i kvantevakuum‑interaksjoner som tidligere var utenfor rekkevidde. Ved å anvende modellen vår på et tre‑stråle‑spredningseksperiment, klarte vi å fange hele spekteret av kvante‑signaturer, sammen med detaljerte innsikter i interaksjons‑regionen og nøkkel‑tids‑skalaer.”

– Zixin (Lily) Zhang, studiens hovedforfatter & doktorgradsstudent ved Oxfords fysikkavdeling

Disse modellene brukes av forskere til å designe virkelige eksperimenter, som laser‑former og pulstider. I tillegg kan simuleringene gi nye innsikter i hvordan selv små asymmetrier i stråle‑geometri kan endre resultatet og hvordan interaksjoner utvikler seg i sanntid.

I tillegg til å hjelpe med planlegging av fremtidige høy‑energi‑laser‑eksperimenter, tror teamet at verktøyet også kan hjelpe med å lete etter tegn på hypotetiske sub‑atomære partikler som axioner, en ledende kandidat for mørk materie.

“Et bredt spekter av planlagte eksperimenter ved de mest avanserte laser‑fasilitetene vil bli sterkt støttet av vår nye beregningsmetode implementert i OSIRIS,” sa studie‑medforfatter Luis Silva, professor ved Instituto Superior Tecnico, University of Lisbon. “Kombinasjonen av ultra‑intense lasere, toppmoderne deteksjon, banebrytende analytisk og numerisk modellering er grunnlaget for en ny æra i laser‑materie‑interaksjoner, som vil åpne nye horisonter for grunnleggende fysikk.”

Investering i laserteknologi

Gitt at en gammastrålelasser ennå ikke er realisert, vil vi se på investeringspotensialet til et selskap som driver med generell laserteknologi. 

L3Harris Technologies (LHX ) er en stor aktør innen avansert fotonikk og høy‑energi lasersystemer for forsvar og romfart. Selskapet produserer en rekke lasersystemer, som er kjent for sin kompakte størrelse og høye ytelse. 

Med en markedsverdi på $50,7 milliarder, handles LHX‑aksjer for øyeblikket til $272,31, opp 29 % år‑til‑dato. Tidligere denne måneden nådde selskapets aksjer en ny topp på $280,52, opp mer enn 45 % siden april‑bunnen. Med dette er EPS (TTM) 8,96, og P/E (TTM) 30,27.

LHX‑aksjonærer kan nyte en utbytteavkastning på 1,77 %.

Når det gjelder selskapets økonomi, rapporterte L3Harris Technologies en inntekt på $5,4 milliarder og ordre på $8,3 milliarder for Q2 2025. Driftsmarginen var 10,5 % og justert segment‑driftsmargin 15,9 %. Utvannet EPS var $2,44, mens en 16 % økning i ikke‑GAAP utvannet EPS satte den på $2,78.