Открывая будущее с помощью гамма-лазеров

Могут ли существовать ещё вселенные, идентичные нашей или отличные от неё? Пока мы этого не знаем.  

Хотя теория мультивселенной Стивена Хокинга является важной концепцией киновселенной Marvel, представляющая собой гипотетическую совокупность всех вселенных со своим собственным пространством, временем, материей, энергией и физическими законами, она остается недоказанной и существует только в сфере фильмов и теоретической физики.

Нам нужно доказать существование квантового устройства. Это просто система, которая использует квантово-механические эффекты для работы, полагаясь на контроль и манипулирование квантовыми взаимодействиями для достижения функциональности, невозможной в классических системах.

В физике квант, единственная форма квант — это минимальное количество любого физического объекта. Например, квант света — это фотон.

Теперь, чтобы раскрыть тайны вселенной, нам понадобится определенное квантовое устройство: гамма-лазер.

Это гипотетическое устройство способно генерировать когерентные гамма-лучи, подобно тому, как обычный лазер генерирует когерентные лучи видимого света. Гамма-лучи (символ γ) — это проникающая форма электромагнитного излучения, возникающая в результате высокоэнергетических взаимодействий, таких как радиоактивный распад атомных ядер. Они также возникают в результате астрономических событий, таких как солнечные вспышки. 

Гамма-лучи представляют собой электромагнитные волны с самой короткой длиной волны, короче, чем у рентгеновских лучей. Их частоты превышают 30 экзагерц, а длины волн — менее 10 пикометров. Гамма-фотоны также обладают самой высокой энергией среди всех видов электромагнитного излучения.

Пару лет назад ученые обнаруженный гамма-лучи с самой высокой энергией, когда-либо зарегистрированной, 20 тераэлектронвольт, что примерно в десять триллионов раз превышает энергию видимого света, от мертвой звезды, называемой пульсаром. 

Тем временем, в конце прошлого года астрофизики захваченный Снимки гамма-вспышек от сверхмассивной черной дыры M87.

Image Source: Университет Калифорнии

Ранее в этом году многосенсорное обнаружение интенсивной вспышки гамма-излучения законопроект наблюдается при столкновении двух лидеров молний¹Это был первый случай, когда земная вспышка гамма-излучения (TGF) была обнаружена синхронно с разрядом молнии.

Гамма-лучи, наблюдаемые в различных космических явлениях, также активно изучаются и создаются посредством специальных экспериментов.

Эксперименты с гамма-лазером и технико-экономические обоснования

Гамма-лучи – это форма высокоэнергетического электромагнитного излучения, обладающего высокой проникающей способностью и обладающего рядом преимуществ.в различных областях. 

Его потенциальные области применения включают в себя медицинскую визуализацию, движение космических аппаратов, лечение ракаи межзвёздные путешествия. Учитывая огромные возможности, учёные всего мира изучают возможность создания гамма-лазера (гразера) для получения когерентных гамма-лучей. 

Ученые из Университета Рочестера получили федеральное финансирование для выполнения этой работы, за что они и изучение возможности создания когерентных источников света.

Еще в 1980-х годах Жерар Муру и Донна Стрикленд из Университета Рочестера изобрели усиление чирпированного импульса (CPA) – технология, увеличивающая пиковую мощность лазеров, которая впоследствии была удостоена Нобелевской премии по физике в 2018 году. Однако разработка лазеров, генерирующих гамма-излучение, пока не удалась. Чтобы решить эту проблему, они исследуют когерентные свойства излучения, испускаемого при столкновении плотных пучков электронов с сильным лазерным полем, что поможет им понять, как создавать когерентные гамма-лучи.

Возможность создания когерентных гамма-лучей стала бы научной революцией в создании новых видов источников света, подобно тому, как открытие и разработка источников видимого света и рентгеновского излучения изменили наше фундаментальное понимание атомного мира».

– Ведущий исследователь Антонино Ди Пьяцца и профессор физика в университете

Чтобы изучить, как электроны взаимодействуют с лазерами, испуская высокоэнергетический свет, исследователи начнут с изучения того, как один или два электрона испускают свет, прежде чем они начнут исследовать более сложные ситуации с множеством электронов, создающих когерентные гамма-лучи. 

«Мы не первые учёные, которые пытались создать гамма-лучи таким способом», — сказал Ди Пиацца. в то время. "Но мы делаем это, используя полностью квантовую теорию — квантовую электродинамику — которая представляет собой передовой подход к решению этой проблемы.

Другой подход к созданию гамма-лазеров включает возбуждение ядерных изомеров. 

A статья про исследование ² Пару месяцев назад был описан метод возбуждения ядер некоторых изотопов до состояния с более высокой энергией. С помощью нейтронной бомбардировки изомерные ядра возбуждаются в метастабильные изомерные состояния, а затем инициируется стимулированное испускание гамма-лучей для достижения когерентности ядра.

Их новый и «несколько нетрадиционный» метод направлен на решение «дилеммы Грейзера» путем смещения кристаллической решетки во время нейтронной бомбардировки. 

Эта технология имеет потенциал для создания чрезвычайно мощных лазеров, которые могут использоваться в различных приложениях, включая лазерное оружие,отметил Йордан Кацаров из Департамента авиационной техники и технологий, который является частью Военно-воздушной академии Болгарии имени Георгия Бенковского.

Ученые из Университета Колорадо в Денвере создали чип, который однажды сможет открыть доступ к гамма-лазерам.

Это революционное квантовое устройство, настолько компактное, что помещается в ладони, способно генерировать экстремальные электромагнитные поля, ранее доступные только в массивных коллайдерах частиц. Этот чип размером с большой палец потенциально способен заменить многокилометровые коллайдеры частиц в недалеком будущем и помочь нам разгадать глубокие тайны нашей Вселенной, проверить теории мультивселенной и создать мощные гамма-лазеры для уничтожения раковых клеток на атомном уровне, а также сделать возможными другие революционные методы лечения.

Проведите пальцем, чтобы прокрутить →

Крошечный чип делает мечты о гамма-лазере достижимыми

Опубликовано в журнале Advanced Quantum Technologies, посвященном теоретическим и экспериментальным исследованиям в области квантовой науки, материалов и технологий. последнее исследование³ была представлена на обложке июньского номера.

Как отмечается в исследовании, с помощью плазмонов возможно нанометрическое ограничение электромагнитной энергии.

Плазмон – это квант плазменных колебаний, который это быстрые колебания электронной плотности в плазме или металлах. Эти квазичастицы образованы коллективными колебаниями электронного газа зоны проводимости. 

А «экстремальные плазмоны открывают беспрецедентные возможности, включая доступ к беспрецедентным полям в петавольты на метр» (поля PV/m), которые представляют собой чрезвычайно высокие значения напряженности электрического поля, что, как отмечается в исследовании, «открывает новые, широкомасштабные возможности, в том числе в физике элементарных частиц и науках о фотонах посредством нанометрического ограничения крупномасштабной электромагнитной энергии».

Итак, исследователи разработали аналитическую модель этого класса плазмонов, основанную на квантово-кинетическом подходе.

Этот последний прорыв был сделан в Университете Колорадо в Денвере с целью произвести революцию в нашем понимании физики и химии.

«Это очень интересно, потому что эта технология откроет совершенно новые области исследований и окажет непосредственное влияние на мир».

– Аакаш Сахай, доцент кафедры электротехники Калифорнийского университета в Денвере.

Сахаи вместе с Кальяном Тирумаласетти, студентом его лаборатории, который работает над этой технологией вместе с ним, приближается к предоставлению научному сообществу нового инструмента, который поможет им превратить научную фантастику в реальность.

«В прошлом мы уже совершали технологические прорывы, которые продвигали нас вперёд, например, открытие субатомной структуры, приведшее к созданию лазеров, компьютерных чипов и светодиодов. Это нововведение, которое… также основан «В области материаловедения мы придерживаемся тех же принципов», — добавил Сахаи. который имеет докторскую степень в области физики плазмы Имеет степень магистра электротехники в Университете Дьюка и степень магистра электротехники в Стэнфордском университете.

У чего имеется было достигнуто В этом исследовании рассматривается способ создания экстремальных электромагнитных полей в лабораторных условиях, что ранее было невозможно..

Эти электромагнитные поля питают все: от наших компьютерных чипов до суперколлайдеров частиц, которые ускоряют и сталкивают субатомные частицы при чрезвычайно высоких энергиях, чтобы получить представление о природе материи, энергии и ранней Вселенной. 

Именно когда электроны в материале вибрируют и отскакивают с чрезвычайно высокой скоростью, возникают эти электромагнитные поля. созданы.

Однако создание достаточно сильных полей для проведения сложных экспериментов требует огромных и дорогостоящих установок.

Например, ученые, изучающие темную материю, используют такие машины, как Большой адронный коллайдер (БАК). в Европейской организации ядерных исследований, ЦЕРН, которая крупнейшая в мире лаборатория физики элементарных частиц, расположенная в Швейцария. LHC — самый мощный ускоритель частиц в мире, включающее в себя 16.7-мильное (27-километровое) кольцо сверхпроводящих магнитов с несколькими ускоряющими структурами для увеличения энергии частиц на пути.

Проведение экспериментов такого масштаба требует огромных ресурсов. Это не только очень дорого, но и может быть крайне нестабильно.

Чтобы преодолеть эту проблему, лаборатория Сахая создала материал на основе кремния (Si), похожий на чип, размером с большой палец.

Кремний — полупроводник, свойства которого (электропроводность) можно изменять путем добавления примесей (легирования). Он используется для производства микрочипов, используемых в повседневных устройствах, таких как мобильные телефоны, а также в беспилотных автомобилях.

Новый материал, подобный чипу, способен обрабатывать высокоэнергетические пучки частиц и управлять потоком энергии. Он также позволяет учёным и исследователям получить доступ к электромагнитным полям, производятся посредством колебаний квантового электронного газа. И всё это достигается в крошечном пространстве.

Быстрое движение (колебания) создает электромагнитные поля, в то время как метод Сахая позволяет материалу управлять тепловым потоком, создаваемым вибрацией, и помогает сохранять образец стабильным и целым.

«Управление столь мощным потоком энергии с сохранением внутренней структуры материала — это настоящий прорыв. Этот технологический прорыв может действительно изменить мир. Речь идёт о понимании того, как устроена природа. и использование этих знаний для оказания положительного влияния на мир.

– Тирумаласетти

Их технология может потенциально уменьшить длинные коллайдеры до размеров чипа и позволить ученым наблюдать невиданную ранее активность.

Университет уже подал заявку и получил предварительные патенты на эту технологию как в США, так и за рубежом.

Однако для реализации практического, реального применения этой технологии потребуются годы. 

На самом деле, некоторые из основополагающих работ в области технологий начались семь лет назад В 2018 году, когда Сахаи опубликовал своё исследование об ускорителях антиматерии, он сказал:

«Это займет некоторое время, но в течение моей жизни это весьма вероятно».

Было сказано, что, она обладает огромным потенциалом, помогая нам лучше понять, как функционирует Вселенная на фундаментальном уровне, и, таким образом, улучшить жизнь. Как отметил Сахаи, это также может сделать реальностью гамма-лазеры.

«Мы могли бы получать изображения тканей вплоть до ядер клеток, а не только до ядер лежащих в их основе атомов. Это означает, что учёные и врачи смогут увидеть, что происходит на ядерном уровне, и это могло бы ускорить наше понимание колоссальных сил, действующих в столь малых масштабах, а также привести к улучшению методов лечения и излечения», — пояснил он. «В конечном итоге мы могли бы разработать гамма-лазеры для модификации ядра и удаления раковых клеток на наноуровне».

Метод «экстремальных плазмонов», который также является названием исследования, также может помочь нам проверить возможность существования мультивселенной.

Однако работа над крошечным чипом ещё не завершена. Теперь Сахи и Тирумаласетти сосредоточатся на совершенствовании материала кремниевого чипа и лазерной технологии в Национальной ускорительной лаборатории SLAC – учреждении мирового класса, управляемом Стэнфордским университетом и финансируемом Министерством энергетики США (DOE). технология была протестирована.

Моделирование квантового вакуума с помощью сверхмощных лазеров

Итак, как мы увидели, от космоса до лаборатории наше понимание самого экстремального света во Вселенной стремительно развивается. 

Мы зафиксировали гамма-всплески от далеких пульсаров, стали свидетелями сверхмассивных вспышка черных дыр в высокоэнергетическом великолепии, и даже зафиксировали столкновения, похожие на молнии, которые вызывают земные гамма-вспышки. Теперь мы учимся воссоздавать подобные условия здесь, на Земле. 

Пару месяцев назад физики из Оксфордского университета смоделировали, как интенсивные лазерные лучи могут генерировать свет там, где его нет, превратив теоретическую концепцию в реальность. 

Физикам удалось впервые создать трехмерную симуляцию того, как интенсивные лазерные лучи могут воздействовать на квантовый вакуум и изменять его.

Опубликовано в журнале Communications Physics, исследовании⁴ Используя передовое компьютерное моделирование, можно смоделировать, как мощные лазеры взаимодействуют с квантовым вакуумом, а также узнать, как фотоны отражаются друг от друга и создают новые лучи света.

Моделирование воссоздало вакуумное четырехволновое смешение (FWM) — явление, предсказанное квантовой физикой, которое гласит, что объединенное электромагнитное поле трех сфокусированных лазерных импульсов может поляризовать виртуальные электронно-позитронные пары вакуума, создавая новый лазерный луч в так называемом процессе «свет из тьмы». 

«Это не просто академическое любопытство — это важный шаг на пути к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до сих пор были в основном теоретическими».

– Соавтор исследования Питер Норрейс, профессор Оксфордского университета

Моделирование были запущены с использованием усовершенствованной версии программного обеспечения для моделирования (OSIRIS), которая моделирует лазер взаимодействие лучей с плазмой или материей.

«Наша компьютерная программа открывает нам трёхмерное окно с временным разрешением в квантовые вакуумные взаимодействия, которое ранее было недостижимо. Применив нашу модель к эксперименту по трёхлучевому рассеянию, мы смогли зафиксировать весь спектр квантовых сигнатур, а также получить детальное представление об области взаимодействия и ключевых временных масштабах».

– Цзысинь (Лили) Чжан, ведущий автор исследования и докторант физического факультета Оксфордского университета

Эти модели используются исследователями для разработки реальных экспериментов, таких как определение формы лазера и длительности импульса. Более того, моделирование может предоставить новые сведения о том, как даже незначительные асимметрии в геометрии пучка могут изменить результат и как взаимодействия развиваются в реальном времени.

Команда полагает, что этот инструмент не только поможет в планировании будущих экспериментов с высокоэнергетическими лазерами, но и поможет в поиске признаков гипотетических субатомных частиц, таких как аксионы, которые являются основными кандидатами на темную материю.

«Широкий спектр запланированных экспериментов на самых современных лазерных установках будет будет оказана большая помощь «Благодаря нашему новому вычислительному методу, реализованному в OSIRIS», — заявил соавтор исследования Луис Силва, профессор Высшего технического института Лиссабонского университета. «Сочетание сверхмощных лазеров, современных методов обнаружения, передового аналитического и численного моделирования закладывает основу для новой эры в области взаимодействия лазерного излучения с веществом, которая откроет новые горизонты для фундаментальной физики».

Инвестиции в лазерные технологии

Учитывая, что гамма-лазер еще не создан было реализовано, мы рассмотрим инвестиционный потенциал компании, занимающейся общими лазерными технологиями. 

L3Харрис Технологии (LHX ) Компания является крупным игроком в области передовой фотоники и высокоэнергетических лазерных систем для оборонной и аэрокосмической промышленности. Компания производит широкий спектр лазерных систем, известных своей компактностью и высокой производительностью. 

При рыночной капитализации в 50.7 млрд долларов акции LHX торгуются по цене 272.31 доллара, что на 29% выше, чем с начала года. Ранее в этом месяце акции компании достигли нового максимума на отметке 280.52 доллара, что более чем на 45% выше апрельского минимума. Таким образом, прибыль на акцию (EPS) компании (TTM) составляет 8.96, а коэффициент P/E (TTM) — 30.27.

Акционеры LHX могут рассчитывать на дивидендную доходность в размере 1.77%.

Что касается финансовых показателей компании, L3Harris Technologies сообщила о выручке в размере 5.4 млрд долларов США и объёме заказов на сумму 8.3 млрд долларов США за второй квартал 2 года. Операционная рентабельность компании составила 2025%, а скорректированная сегментная операционная рентабельность — 10.5%. Разводнённая прибыль на акцию (EPS) составила 15.9 доллара США, в то время как разводнённая прибыль на акцию (EPS) без учёта требований GAAP увеличилась на 2.44% и составила 16 доллара США.