Banar vägen för framtiden med gammastrålelaster

Kan det finnas fler universum där ute, identiska eller olika från vårt? Tja, vi vet det ännu inte.  

Även om det är ett framträdande koncept i MCU, förblir Stephen Hawkings multiversumsteori, som är en hypotetisk samling av alla universum med sina egna rum, tid, materia, energi och fysiska lagar, oavvisad och existerar bara i filmens och den teoretiska fysikens värld.

Det vi behöver bevisa existensen av är en kvantdevice. Det är helt enkelt ett system som använder kvantmekaniska effekter för att fungera, och förlitar sig på kontroll och manipulation av kvantinteraktioner för att uppnå funktioner som inte är möjliga i klassiska system.

Inom fysiken är en kvant, singularformen av kvanta, den minsta mängden av någon fysisk entitet. För exempel är kvanten av ljus en foton.

Nu, för att avslöja universums mysterier, kommer vi att behöva en särskild kvantdevice: en gammastrålelaster.

Denna hypotetiska enhet skulle kunna producera koherenta gammastrålar, på samma sätt som en vanlig laser producerar koherenta strålar av synligt ljus. En gammastråle (symbol γ) är en penetrerande form av elektromagnetisk strålning som uppstår vid högenergiinteraktioner såsom radioaktivt sönderfall av atomkärnor. Den uppstår också vid astronomiska händelser som solutbrott. 

Gammastrålar består av de kortaste våglängderna av elektromagnetiska vågor, kortare än röntgenstrålar. De har frekvenser över 30 exahertz och våglängder under 10 picometer. Gammastrålefotoner har också den högsta fotonenergin av alla former av elektromagnetisk strålning.

För ett par år sedan upptäckte de högsta energigammastrålarna någonsin, 20 teraelektronvolt, vilket är ungefär tio biljoner gånger energin hos synligt ljus, från en död stjärna kallad en pulsar. 

Sent i år fångade astrofysiker bilder av gammastråleflammar från den supermassiva svarta hålet M87.

Bildkälla: University of California

Tidigare i år observerades en multisensor-detektion av en intensiv gammastråleblinkning vid kollisionen av två blixtledare¹. Det var första gången en jordbunden gammastråleblinkning (TGF) observerades i synkronisering med blixturladdningen.

Observerade i olika kosmiska fenomen studeras gammastrålar också aktivt och skapas genom specifika experiment.

Gammastrålelasterexperiment och genomförbarhetsstudier

Gammastrålar är en form av högenergi-elektromagnetisk strålning som är starkt penetrerande och erbjuder flera fördelar i olika områden.

Dess potentiella tillämpningar inkluderar medicinsk avbildning, rymdfarkostdrift, cancert behandling, och interstellär resa. Med tanke på dess enorma möjligheter undersöker forskare världen över att skapa en gammastrålelaster, eller graser, för att producera koherenta gammastrålar. 

Forskare från University of Rochester fick federalt stöd för att göra det, och de studerar genomförbarheten av koherenta ljuskällor.

På 1980-talet uppfann Gérard Mourou och Donna Strickland vid University of Rochester chirped pulse amplification (CPA), en teknik som ökar pulshöjden hos laser och som senare vann Nobelpriset i fysik 2018. Att utveckla laser som producerar gammastrålar har dock ännu inte uppnåtts. För att tackla detta undersöker de koherensegenskaperna hos strålningen som avges när täta buntar av elektroner kolliderar med ett starkt laserfält, vilket kommer att hjälpa dem att förstå hur man producerar koherenta gammastrålar.

“Förmågan att skapa koherenta gammastrålar skulle vara en vetenskaplig revolution i att skapa nya typer av ljuskällor, likt hur upptäckten och utvecklingen av synligt ljus och röntgenkällor förändrade vår grundläggande förståelse av den atomära världen.”

– Huvudutredaren, Antonino Di Piazza & professor i fysik vid universitetet

För att studera hur elektroner interagerar med laser för att avge högenergiljus kommer forskarna att börja med att undersöka hur en eller två elektroner avger ljus innan de undersöker mer komplicerade situationer med många elektroner för att producera koherenta gammastrålar.

“Vi är inte de första forskarna som har försökt skapa gammastrålar på detta sätt,” sade Di Piazza då. “Men vi gör det med en fullständig kvantteori—kvantelektrodynamik—vilket är ett avancerat tillvägagångssätt för att lösa detta problem.”

Ett annat tillvägagångssätt för att utveckla gammastrålelaster inkluderar excitation av kärnisomerer.

En forskningsartikel² från några månader sedan beskrev metoden att excitera kärnor av vissa isotoper till ett högre energitillstånd. Genom neutronbombardement exciteras isomeriska kärnor till metastabila isomeriska tillstånd innan de triggar stimulerad emission av gammastrålar för att uppnå koherens från kärnan.

Deras nya och “något okonventionella” metod syftar till att lösa ‘Graser-dilemmat’ genom att förskjuta kristallgittret under neutronbombardementet.

“Teknologin har potentialen att skapa extremt kraftfulla laser som kan användas i olika tillämpningar, inklusive laservapen,” noterade Yordan Katsarov från avdelningen för flygutrustning och teknologier, som är en del av Georgi Benkovski Bulgariens flygvapenakademi.

Nu har forskare från University of Colorado Denver skapat ett chip som en dag kan låsa upp gammastrålelaster.

Denna banbrytande kvantdevice, som är tillräckligt liten för att få plats i handen, kan generera extrema elektromagnetiska fält som tidigare bara var möjliga i massiva partikelacceleratorer. Det tumme-stora chipet har potential att ersätta milslånga partikelacceleratorer i en inte så avlägsen framtid och hjälpa oss att avkoda universums djupa mysterier, testa multiversumsteorier och skapa kraftfulla gammastrålelaster för att förstöra cancerceller på atomnivå och möjliggöra andra revolutionerande medicinska behandlingar.

Swipe för att rulla →

Ett litet chip förverkligar drömmen om gammastrålelaster

Publicerad i Advanced Quantum Technologies, en tidskrift som täcker teoretisk och experimentell forskning inom kvantvetenskap, material och teknologier, den senaste studien³ prydde omslaget för juniutgåvan.

Som studien noterade är nanometrisk inneslutning av elektromagnetisk energi möjlig med hjälp av plasmons.

En plasmon är en kvant av plasmaoscillation, vilket är en snabb oscillation av elektronens densitet i plasma eller metaller. Dessa kvaspartiklar bildas av kollektiva oscillationer av ledningsbandets elektrongas.

Och “extrema plasmons frigör oöverträffade möjligheter, inklusive tillgång till oöverträffade petavolt per meter-fält” (PV/m-fält), som är extremt höga elektriska fältstyrkor, som studien noterade, “öppnar nya, breda möjligheter, inklusive inom partikel­fysik och fotonvetenskap genom nanometrisk inneslutning av storskalig elektromagnetisk energi”.

Så har forskarna utvecklat en analytisk modell av denna klass av plasmons baserad på ett kvantkinetiskt ramverk.

Det senaste genombrottet gjordes vid University of Colorado Denver med målet att revolutionera vår förståelse av fysik och kemi.

“Det är mycket spännande eftersom denna teknologi kommer att öppna helt nya forskningsområden och ha en direkt inverkan på världen.”

– Aakash Sahai, assisterande professor i elektroteknik vid CU Denver

Sahai, tillsammans med Kalyan Tirumalasetty, en student i hans laboratorium som arbetar med teknologin, närmar sig att ge det vetenskapliga samfundet ett nytt verktyg för att hjälpa dem att förvandla sci-fi till verklighet.

“Tidigare har vi haft teknologiska genombrott som drivit oss framåt, såsom den subatomiska strukturen som ledde till laser, datorchips och lysdioder. Denna innovation, som också är baserad på materialvetenskap, ligger på samma spår,” tillade Sahai, som har en doktorsexamen i plasmafysik från Duke University och en masterexamen i elektroteknik från Stanford University.

Det som har uppnåtts i denna studie är ett sätt att skapa extrema elektromagnetiska fält i laboratoriet som tidigare var omöjligt.

Dessa elektromagnetiska fält driver allt från våra datorchips till superpartikelacceleratorer, som accelererar och kolliderar subatomära partiklar med extremt höga energier för att få insikt i materiens, energins och universums tidiga natur.

Det är när elektroner i ett material vibrerar och studsar med extremt höga hastigheter som dessa elektromagnetiska fält skapas.

Att skapa tillräckligt starka fält för att utföra avancerade experiment kräver dock enorma, dyra anläggningar.

Till exempel använder forskare som studerar mörk materia maskiner som Large Hadron Collider (LHC) vid den Europeiska organisationen för kärnforskning, CERN, som är världens största partikel­fysiklaboratorium beläget i Schweiz. LHC är den mest kraftfulla partikelacceleratorn i världen, med en 16,7 mil (27 kilometer) ring av supraledande magneter och flera accelererande strukturer för att öka partiklarnas energi längs vägen.

Att genomföra experiment i sådan skala kräver enorma resurser. Det är inte bara mycket dyrt, utan kan också vara mycket instabilt.

För att övervinna detta problem byggde Sahais laboratorium ett kisel (Si)-baserat, chip-liknande material, i storlek med din tumme.

Kisel är en halvledare vars egenskaper (elektrisk ledningsförmåga) kan förändras genom att tillsätta föroreningar (dopning) och används för att tillverka mikrochips som finns i vardagsapparater som mobiltelefoner samt självkörande bilar.

Det nya chip-liknande materialet kan hantera högenergi-partikelstrålar och kontrollera energiflödet. Det möjliggör också för forskare att få tillgång till elektromagnetiska fält som produceras av vibrationer eller oscillationer av den kvanta elektrongasen. Och allt detta uppnås i ett litet utrymme.

Den snabba rörelsen (oscillationer) skapar de elektromagnetiska fälten, medan Sahais teknik gör det möjligt för materialet att hantera den värme som genereras av vibrationerna och hjälper till att hålla provet stabilt och intakt.

“Att manipulera ett så högt energiflöde samtidigt som man bevarar materialets underliggande struktur är genombrottet. Detta tekniska genombrott kan göra en verklig förändring i världen. Det handlar om att förstå hur naturen fungerar och använda den kunskapen för att göra en positiv inverkan på världen.”

– Tirumalasetty

Deras teknik kan potentiellt krympa långa acceleratorer till ett chip och låta forskare se aktivitet som aldrig förr.

Universitetet har redan ansökt om och erhållit provisoriska patent på teknologin, både i USA och internationellt.

De praktiska, verkliga tillämpningarna av teknologin kommer dock att ta år att förverkliga.

Faktum är att en del av teknikens grundläggande arbete började för sju år sedan, år 2018, när Sahai publicerade sin forskning om antimaterieacceleratorer. Han sade:

“Det kommer att ta ett tag, men inom min livstid är det mycket sannolikt.”

Det sagt har det stor potential att hjälpa oss bättre förstå hur universum fungerar på dess grundläggande skala och därmed förbättra liv. Som Sahai noterade kan detta också göra gammastrålelaster till verklighet.

“Vi skulle kunna avbilda vävnad ner till inte bara cellkärnan utan ner till kärnan av de underliggande atomerna. Det betyder att forskare och läkare skulle kunna se vad som händer på kärnnivå, och det skulle kunna påskynda vår förståelse av enorma krafter som dominerar på så små skalor samt leda till bättre medicinska behandlingar och botemedel,” förklarade han. “Till slut skulle vi kunna utveckla gammastrålelaster för att modifiera kärnan och avlägsna cancerceller på nanonivå.”

Tekniken “extrema plasmons”, som också är studiens titel, kan också hjälpa oss att testa möjligheten av ett multiversum.

Arbetet med det lilla chipet är dock inte färdigt. Både Sahai och Tirumalasetty kommer nu att fokusera på att förfina kisel-chipmaterialet och lasertekniken vid SLAC National Accelerator Laboratory, en världsledande anläggning som drivs av Stanford University och finansieras av USA:s energidepartement (DOE), där teknologin testades.

Simulering av det kvantum vakuum med ultra‑kraftfulla laserar

Så, som vi såg, från kosmos till laboratoriet, utvecklas vår förståelse av det mest extrema ljuset i universum snabbt.

Vi har fångat gammastråleutbrott från avlägsna pulsarer, bevittnat supermassiva svarta håls flammor i högenergi‑glans, och till och med registrerat blixtliknande kollisioner som producerar jordbaserade gammastråleblinkningar. Nu lär vi oss att återskapa liknande förhållanden här på jorden.

För ett par månader sedan simulerade fysiker vid University of Oxford hur intensiva laserstrålar kan generera ljus där inget fanns, och förvandlade ett teoretiskt koncept till verklighet.

Vad fysikerna lyckades med är att de för första gången kunde skapa 3D‑simulationer av hur intensiva laserstrålar kan påverka och förändra det kvantum vakuum.

Publicerad i Communications Physics, studien⁴ beskriver hur avancerad beräkningsmodellering används för att simulera hur kraftfulla laser interagerar med det kvantum vakuum, och avslöjar i processen hur fotoner studsar mot varandra och producerar nya ljusstrålar.

Simulationerna återgav vakuumets fyrvågsblandning (FWM), ett fenomen förutsagt av kvantfysik som säger att det kombinerade elektromagnetiska fältet från tre fokuserade laserpulser kan polarisera vakuums virtuella elektron‑positronpar, vilket producerar en ny laserstråle i det som kallas “ljus från mörker”-processen.

“Detta är inte bara en akademisk nyfikenhet – det är ett stort steg mot experimentell bekräftelse av kvanteffekter som hittills mestadels har varit teoretiska.”

– Studien medförfattare Peter Norreys, professor vid University of Oxford

Simulationerna kördes med en avancerad version av simuleringsprogramvara (OSIRIS), som modellerar laserstrålarnas interaktion med plasma eller materia.

“Vårt datorprogram ger oss ett tidsupplöst, 3D‑fönster in i kvantumvakuuminteraktioner som tidigare var oåtkomliga. Genom att applicera vår modell på ett tre‑stråle‑spridningsexperiment kunde vi fånga hela spektrumet av kvanttecken, tillsammans med detaljerade insikter i interaktionsregionen och nyckeltidsramar.”

– Zixin (Lily) Zhang, studiens huvudförfattare och doktorand vid Oxfords fysikavdelning

Dessa modeller används av forskare för att designa verkliga experiment, såsom laserformer och pulstider. Dessutom kan simulationerna ge nya insikter i hur även små asymmetrier i strålgeometri kan förändra resultatet och hur interaktioner utvecklas i realtid.

Förutom att hjälpa till att planera framtida högenergilaserexperiment tror teamet att verktyget också kan hjälpa till att söka efter tecken på hypotetiska subatomära partiklar som axioner, en ledande kandidat för mörk materia.

“Ett brett spektrum av planerade experiment vid de mest avancerade laseranläggningarna kommer att starkt stödjas av vår nya beräkningsmetod implementerad i OSIRIS,” sade studiens medförfattare Luis Silva, professor vid Instituto Superior Tecnico, University of Lisbon. “Kombinationen av ultra‑intensa laser, toppmoderna detektering, banbrytande analytisk och numerisk modellering är grunden för en ny era av laser‑materieinteraktioner, vilket kommer att öppna nya horisonter för grundläggande fysik.”

Investera i laserteknik

Eftersom en gammastrålelaster ännu inte har realiserats, kommer vi att undersöka investeringspotentialen hos ett företag som är verksamt inom generell laserteknik.

L3Harris Technologies (LHX ) är en stor aktör inom avancerad fotonik och högenergilasersystem för försvar och rymd. Företaget producerar en mängd lasersystem som är kända för sin kompakta storlek och höga prestanda. 

Med ett börsvärde på 50,7 miljarder dollar handlas LHX-aktierna för närvarande till 272,31 dollar, upp 29 % år‑till‑datum. Tidigare i månaden nådde företagets aktier ett nytt högsta värde på 280,52 dollar, upp mer än 45 % sedan aprilens lägsta nivå. Med detta är dess EPS (TTM) 8,96 och P/E (TTM) 30,27.

LHX-aktieägare kan njuta av en utdelningsavkastning på 1,77 %.

När det gäller företagets finanser rapporterade L3Harris Technologies en omsättning på 5,4 miljarder dollar och order på 8,3 miljarder dollar för Q2 2025. Företagets rörelsemarginal var 10,5 % och den justerade segment‑rörelsemarginalen 15,9 %. Utspädd EPS låg på 2,44 dollar, medan en 16 % ökning i icke‑GAAP utspädd EPS satte den på 2,78 dollar.