Naukowcy z Politechniki Federalnej w Zurychu (ETH Zurich) oraz współpracujących z nimi instytucji osiągnęli przełom w dziedzinie optyki nieliniowej, generując najintensywniejsze światło sztuczne w historii. Kluczem do sukcesu była nowatorska technika kompresji strumienia świetlnego, oparta na zjawisku określanym relatywistyczną generacją harmonicznych, która pozwoliła na osiągnięcie natężenia rzędu 1023 watów na cm². Wynik ten znacznie przewyższa poprzednie rekordy i otwiera nowe perspektywy w badaniach nad oddziaływaniem światła z materią w ekstremalnych warunkach.
Nowe osiągnięcie rozwiązuje zasadniczy problem, przed którym konstruktorzy i badacze stawali do tej pory. Dotąd stosowane metody generowania wiązki o ekstremalnej intensywności napotykały bowiem na fundamentalne ograniczenia fizyczne. Gdy moc lasera rośnie, materiał, przez który przechodzi światło, w pewnym momencie napotka moment, w którym ulegnie zniszczeniu pod wpływem ciepła lub zjawisk nieliniowych, takich jak samoogniskowanie. Aby uniknąć uszkodzenia urządzeń optycznych, badacze musieli rozszerzać wiązkę, co jednak automatycznie obniżało jej natężenie w punkcie skupienia.
Światło wielokroć złożone w kostkę
Nowa metoda, której opublikowany opis jest wynikiem eksperymentów badaczy, rozwiązuje ten problem poprzez dynamiczną manipulację parametrami wiązki w czasie rzeczywistym. Zamiast próbować zmniejszyć plamę ogniskową statycznie, zastosowano sekwencję impulsów, które są kompresowane przestrzennie i czasowo w momencie, gdy docierają do celu. W procesie tym wykorzystuje się specjalne odbłyśniki i soczewki, które potrafią przetrwać chwilowe, ekstremalne obciążenia energetyczne. Kluczowym jego elementem jest tzw. „kompresja strumienia świetlnego” (light stream compression).
W jej ramach energia impulsu jest gromadzona w coraz mniejszej objętości przestrzennej w ułamku sekundy. W przeprowadzonym eksperymencie, w którym wykorzystano system lasera Gemini, wystrzeliwano ultraintensywne impulsy świetlne w kierunku plazmowego lustra poruszającego się z prędkościami relatywistycznymi. Dzięki temu, że lustro to poruszało się z prędkością zbliżoną do prędkości światła w kierunku źródła światła, odbite fotony ulegały kompresji i wzmacnianiu do znacznie wyższych energii — efekt podobny do zjawiska Dopplera, ale w skali relatywistycznej.
Skupienie wiązki lasera, którego szczytowa moc osiągała wartości w zakresie petawatów, na obszarze o średnicy zaledwie kilku mikrometrów pozwoliło na uzyskanie gęstości mocy przekraczającej 1023 W/cm². Taki poziom natężenia jest wystarczający, aby zakłócić strukturę próżni kwantowej. W fizyce teoretycznej przewiduje się, że przy natężeniach rzędu 1029 W/cm² (tzw. granica Schwingera) próżnia powinna stać się niestabilna, prowadząc do spontanicznego tworzenia par cząstek i antycząstek z samej energii pola elektromagnetycznego (co z kolei wywodzi się z podstawowego założenia, że materia to forma energii).
Stwórzmy sobie materię – z próżni
Osiągnięty przez zespół z ETH Zurich wynik, choć wciąż poniżej tej teoretycznej granicy, zbliża się do niej w skali logarytmicznej bardziej niż jakikolwiek wcześniejszy eksperyment. Pozwala to na badanie zjawisk, które dotychczas były dostępne jedynie w modelach matematycznych, takich jak nieliniowe efekty elektrodynamiki kwantowej (QED) w silnych polach. Zastosowana technika eliminuje konieczność budowania znacznie większych i droższych instalacji laserowych. Zamiast zwiększać skalę urządzenia, badacze zoptymalizowali sposób dostarczania energii do punktu fokusowego.
Metoda ta jest także skalowalna i może być adaptowana do istniejących instalacji laserowych na całym świecie, co znacząco obniża próg wejścia, których wymagały badania i eksperymenty obejmujące światło w ekstremalnych postaciach. Wdrożenie tej technologii może przyspieszyć rozwój diagnostyki medycznej opartej na źródłach promieniowania synchrotronowego oraz przyczynić się do postępu w dziedzinie termojądrowej fuzji inercyjnej, gdzie precyzyjne dostarczanie energii jest krytyczne dla procedur inicjacji reakcji oraz późniejszego zarządzania reakcjami termojądrowymi.
Wyniki eksperymentu udowadniają zarazem, że ograniczenia w intensywności światła nie wynikają z braku dostępnej energii, lecz z nieefektywnych metod jej koncentracji. Nowa metoda kompresji strumienia stanowi fundamentalną zmianę w paradygmacie eksperymentalnym. Zamiast walczyć z ograniczeniami oprzyrządowania, naukowcy nauczyli się koncentrować światło poprzez precyzyjną synchronizację czasową i przestrzenną impulsów. Dalsze prace nad udoskonaleniem tej techniki być może doprowadzą do osiągnięcia w laboratoriach granicy Schwingera, umożliwiając bezpośrednią obserwację konwersji energii światła w materię.