Framtiden inleds med gammastrålningslasrar

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

Även om Stephen Hawkings multiversumteori, som är en hypotetisk uppsättning av alla universum med sina egna lagar inom rymd, tid, materia, energi och fysik, är ett framträdande koncept i MCU, förblir obevisad och existerar endast inom filmer och teoretisk fysik.

Det vi behöver bevisa existensen av är en kvantanordning. 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, ett kvantum, singularformen av kvanta, är den minsta mängden av varje fysisk enhet. Till exempel är ljusets kvantum en foton.

Nu, för att avslöja universums mysterier, Vi kommer att behöva en särskild kvantanordning: en gammastrålningslaser.

Denna hypotetiska anordning skulle kunna producera koherenta gammastrålar, ungefär som hur en vanlig laser producerar koherenta strålar av synligt ljus. En gammastråle (symbol γ) är en penetrerande form av elektromagnetisk strålning som uppstår från högenergiska interaktioner som radioaktivt sönderfall av atomkärnor. Den uppstår också från astronomiska händelser som solutbrott. 

Gammastrålar består av de elektromagnetiska vågorna med kortast våglängd, kortare än röntgenstrålar. De har frekvenser över 30 exahertz och våglängder mindre än 10 picometer. Gammastrålars fotoner har också den högsta fotonenergin av alla former av elektromagnetisk strålning.

För ett par år sedan, forskare detekterad de högst energigivande gammastrålarna någonsin, 20 teraelektronvolt, vilket är ungefär tio biljoner gånger energin hos synligt ljus, från en död stjärna som kallas pulsar. 

Sent förra året, under tiden, astrofysiker fångas bilder av gammastrålningsutbrott från det supermassiva svarta hålet M87.

Bild Källa: University of California

Tidigare i år, en multisensordetektering av en intensiv gammablixt var observerad vid kollisionen mellan två blixtnedslag¹Det var första gången en terrestrell gammablixt (TGF) observerades synkroniserad med urladdningen. av blixtar.

Gammastrålar observeras i olika kosmiska fenomen och studeras också aktivt och skapas genom specifika experiment.

Gammastrålelaserexperiment och genomförbarhetsstudier

Gammastrålar är en form av högenergisk elektromagnetisk strålning som är mycket penetrerande och erbjuder flera fördelar, bland annati olika områden. 

Dess potentiella tillämpningar inkluderar medicinsk avbildning, rymdfarkostframdrivning, cancerbehandling, och interstellära resor. Med tanke på dess enorma möjligheter undersöker forskare runt om i världen möjligheten att tillverka en gammastrålningslaser, eller graser, för att producera koherenta gammastrålar. 

Forskare från University of Rochester fick federal finansiering för att göra det, vilket de är studera genomförbarheten av koherenta ljuskällor.

På 1980-talet uppfann Gérard Mourou och Donna Strickland vid University of Rochester kvittrade pulsförstärkning (CPA), en teknik som ökar lasrarnas toppeffekt och som senare vann Nobelpriset i fysik 2018. Utvecklingen av lasrar som producerar gammastrålar har dock ännu inte åstadkommits. För att ta itu med detta undersöker de koherensegenskaperna hos den strålning som avges när täta elektronknippen kolliderar med ett starkt laserfält, vilket kommer att hjälpa dem att förstå hur man producerar koherenta gammastrålar.

"Möjligheten att skapa koherenta gammastrålar skulle vara en vetenskaplig revolution i skapandet av nya typer av ljuskällor, liknande hur upptäckten och utvecklingen av synligt ljus och röntgenkällor förändrade vår grundläggande förståelse av atomvärlden.

– Den ledande utredaren, Antonino Di Piazza & professor i fysik vid universitetet

För att studera hur elektroner interagerar med lasrar för att avge högenergiskt ljus, kommer forskarna att börja med att titta på 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 det här sättet, sa Di Piazza vid den tiden.Men vi gör det med hjälp av en fullständig kvantteori – kvantelektrodynamik – vilket är en avancerad metod för att lösa detta problem."

Ett annat tillvägagångssätt för att utveckla gammastrålningslasrar inkluderar kärnisomerexcitation. 

A uppsats² för ett par månader sedan beskrevs metoden för att excitera kärnor av vissa isotoper till ett högre energitillstånd. Med hjälp av neutronbombardemang exciteras isomera kärnor till metastabila isomera tillstånd innan stimulerad emission av gammastrålar utlöses för att uppnå koherens från kärnan.

Deras nya och ”något okonventionella” metod syftar till att lösa ”Grasers dilemmat” genom att förskjuta kristallgittret under neutronbombardemanget. 

"Tekniken har potential att skapa extremt kraftfulla lasrar som kan användas i olika tillämpningar, inklusive laservapen,”, konstaterade Yordan Katsarov från avdelningen för flygutrustning och teknologier, som är en del av Georgi Benkovskis bulgariska flygvapenakademi.

Nu har forskare från University of Colorado Denver skapat ett chip som en dag skulle kunna låsa upp gammastrålningslasrar.

Denna banbrytande kvantmekanism, som är liten nog att få plats i handen, kan generera extrema elektromagnetiska fält som tidigare bara varit möjliga i massiva partikelkollisorer. Chipet, som är lika stort som en tumme, har potential att ersätta kilometerlånga partikelkollisorer inom en inte så avlägsen framtid och hjälpa oss att reda ut de djupa mysterierna i vårt universum, testa multiversumteorier och skapa kraftfulla gammastrålningslasrar för att förstöra cancerceller på atomnivå och möjliggöra andra revolutionerande medicinska behandlingar.

Svep för att skrolla →

Ett litet chip ger gammalaserdrömmar inom räckhåll

Publicerad i Advanced Quantum Technologies, en tidskrift som täcker teoretisk och experimentell forskning inom kvantvetenskap, material och teknologier. senaste studien³ fanns på omslaget till juninumret.

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

En plasmon är ett kvantum av plasmaoscillation, vilket är en snabb oscillation av elektrondensiteten i plasma eller metaller. Dessa kvasipartiklar bildas av kollektiva oscillationer av elektrongasen i ledningsbandet. 

Och ”extrema plasmoner frigör oöverträffade möjligheter, inklusive tillgång till aldrig tidigare skådade petavoltfält per meter” (PV/m-fält), vilka är extremt höga elektriska fältstyrkor, som studien noterade, ”öppnar nya, omfattande möjligheter, inklusive de inom partikelfysik och fotonvetenskap genom nanometrisk inneslutning av storskalig elektromagnetisk energi.”

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

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

"Det är väldigt spännande eftersom den här tekniken kommer att öppna upp helt nya studieområden och ha en direkt inverkan på världen."

– Aakash Sahai, biträdande professor i elektroteknik vid CU Denver

Sahai, tillsammans med Kalyan Tirumalasetti, en student i hans labb som arbetar med tekniken tillsammans med honom, närmar sig möjligheten att förse forskarsamhället med ett nytt verktyg som hjälper dem att förvandla science fiction till verklighet.

"Tidigare har vi haft tekniska genombrott som drivit oss framåt, såsom den subatomära strukturen som lett till lasrar, datorchips och lysdioder. Denna innovation, som är också baserad inom materialvetenskap, är i samma anda”, tillade Sahai, som har en doktorsexamen i plasmafysik från Duke University och en magisterexamen i elektroteknik från Stanford University.

Vad har har uppnåtts i den här studien finns ett sätt att skapa extrema elektromagnetiska fält i laboratoriet som tidigare var omöjligt.

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

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

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

Till exempel använder forskare som undersöker mörk materia maskiner som Large Hadron Collider (LHC). vid Europeiska organisationen för kärnforskning, CERN, som är världens största partikelfysiklaboratorium beläget i Schweiz. LHC är världens kraftfullaste partikelaccelerator, som involverar en 16.7 kilometer lång ring av supraledande magneter med 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 det kan också vara mycket volatilt.

För att övervinna detta problem byggde Sahais laboratorium ett kisel (Si)-baserat, chipliknande material, stort som 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 vardagliga apparater som mobiltelefoner, såväl som självkörande bilar.

Det nya chipliknande materialet kan hantera högenergiska partikelstrålar och kontrollera energiflödet. Det gör det också möjligt för forskare att få tillgång till elektromagnetiska fält som produceras genom vibrationer eller oscillationer från kvantelektrongasen. Och allt detta uppnås i ett litet utrymme.

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

"Att manipulera ett så högt energiflöde samtidigt som materialets underliggande struktur bevaras är ett genombrott. Detta tekniska genombrott kan åstadkomma en verklig förändring i världen. Det handlar om att förstå hur naturen fungerar." och använda den kunskapen för att göra en positiv skillnad på världen."

- Tirumalasetti

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

Universitetet har redan ansökt om och erhållit preliminära patent på tekniken, både i USA och internationellt.

De praktiska tillämpningarna av tekniken i verkligheten kommer dock att ta år att förverkliga. 

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

"Det kommer att ta ett tag, men det är mycket troligt att det sker under min livstid."

Med det sagt, Den har stor potential att hjälpa oss att bättre förstå hur universum fungerar i sin grundläggande skala och därmed förbättra liv. Som Sahai noterade skulle detta också kunna göra gammastrålningslasrar till verklighet.

”Vi skulle kunna avbilda vävnad inte bara ner till cellkärnan utan ner till kärnan i de underliggande atomerna. Det innebär att forskare och läkare skulle kunna se vad som händer på nukleär nivå, och det skulle kunna påskynda vår förståelse av enorma krafter som dominerar i så små skalor samtidigt som det också leder till bättre medicinska behandlingar och botemedel”, förklarade han. ”Så småningom skulle vi kunna utveckla gammastrålningslasrar för att modifiera cellkärnan och ta bort cancerceller på nanonivå.”

Tekniken med "extrema plasmoner", som också är studiens titel, kan också hjälpa oss att testa möjligheten av ett multiversum.

Arbetet med det lilla chipet är dock inte klart. Både Sahi och Tirumalasetti kommer nu att fokusera på att förfina kiselchipmaterialet och lasertekniken vid SLAC National Accelerator Laboratory, en anläggning i världsklass som drivs av Stanford University och finansieras av det amerikanska energidepartementet (DOE), där tekniken testades.

Simulering av kvantvakuum med ultrakraftfulla lasrar

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

Vi har fångat gammastrålningsutbrott från avlägsna pulsarer, bevittnat supermassiva svarta hål blossar upp i högenergisk prakt, och till och med registrerade de blixtliknande kollisioner som producerar jordiska gammablixtar. Nu lär vi oss att återskapa liknande förhållanden här på jorden. 

För ett par månader sedan simulerade fysiker vid Oxfords universitet hur intensiva laserstrålar kan generera ljus där det inte fanns något, och därmed förvandla ett teoretiskt koncept till verklighet. 

Vad fysikerna har lyckats göra är att de för allra första gången kunnat skapa 3D-simuleringar av hur intensiva laserstrålar kan påverka och förändra kvantvakuumet.

Publicerad i Kommunikationsfysik studera⁴ detaljer med hjälp av avancerad beräkningsmodellering för att simulera hur kraftfulla lasrar interagerar med kvantvakuumet, och avslöjar i processen hur fotoner studsar mot varandra och producerar nya ljusstrålar.

Simuleringarna återskapade vakuumfyrvågsblandning (FWM), ett fenomen som förutspås av kvantfysiken och som säger att det kombinerade elektromagnetiska fältet av tre fokuserade laserpulser kan polarisera ett vakuums virtuella elektron-positronpar och producera en ny laserstråle i det som kallas "ljus från mörker"-processen. 

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

– Studiens medförfattare Peter Norreys, professor vid Oxfords universitet

Simuleringarna kördes med hjälp av en avancerad version av en simuleringsprogramvara (OSIRIS), som modellerar laser strålarnas interaktion med plasma eller materia.

"Vårt datorprogram ger oss ett tidsupplöst, 3D-fönster in i kvantvakuuminteraktioner som tidigare var utom räckhåll. Genom att tillämpa vår modell på ett trestrålningsspridningsexperiment kunde vi fånga hela spektrumet av kvantsignaturer, tillsammans med detaljerade insikter i interaktionsområdet och viktiga tidsskalor."

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

Dessa modeller används av forskare för att utforma verkliga experiment, såsom laserformer och pulstider. Dessutom kan simuleringarna ge nya insikter i hur även små asymmetrier i strålgeometrin kan förändra resultatet och hur interaktioner fortskrider 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 utbud av planerade experiment vid de mest avancerade laseranläggningarna kommer att bli mycket hjälpt ”genom vår nya beräkningsmetod implementerad i OSIRIS”, säger studiens medförfattare Luis Silva, professor vid Instituto Superior Tecnico, Lissabons universitet. ”Kombinationen av ultraintensiva lasrar, toppmodern detektion och banbrytande analytisk och numerisk modellering är grunden för en ny era inom laser-materia-interaktioner, vilket kommer att öppna nya horisonter för grundläggande fysik.”

Investera i laserteknik

Med tanke på att en gammastrålningslaser ännu inte har har förverkligats, kommer vi att undersöka investeringspotentialen hos ett företag som är verksamt inom allmän laserteknik. 

L3 Harris Technologies (LHX ) är en betydande aktör inom avancerad fotonik och högenergilasersystem för försvar och flyg- och rymdfart. Företaget producerar en mängd olika lasersystem, som är kända för sin kompakta storlek och höga prestanda. 

Med ett börsvärde på 50.7 miljarder dollar handlas LHX-aktier för närvarande till 272.31 dollar, en ökning med 29 % hittills i år. Tidigare denna månad nådde företagets aktier en ny högstanivå på 280.52 dollar, en ökning med mer än 45 % sedan aprillägstanivån. Med det är vinsten per aktie (TTM) 8.96 och P/E-talet (TTM) är 30.27.

LHX-aktieägare kan njuta av en direktavkastning på 1.77 %.

När det gäller företagets finansiella rapporterade L3Harris Technologies en intäkt på 5.4 miljarder dollar och en orderingång på 8.3 miljarder dollar för andra kvartalet 2. Företagets rörelsemarginal var 2025 % och den justerade rörelsemarginalen för segmentet var 10.5 %. Utspädd vinst per aktie landade däremot på 15.9 dollar, medan en ökning med 2.44 % av den utspädda vinsten per aktie, som inte är enligt GAAP, placerade den på 16 dollar.