Una instalación del tamaño de un gimnasio en la Universidad de Michigan acaba de disparar el pulso láser más poderoso en la historia de Estados Unidos, llegando a 2 petawatts, que son 2 billones de vatios empacados en una viga que duró solo 25 quintillonales de segundo.
La instalación de láser Zeus duplicó aproximadamente la potencia máxima de cualquier otro láser estadounidense mientras ofrecía más de 100 veces la producción global de electricidad en ese momento infinitesimal. Esta nueva capacidad abre puertas para avances médicos, aplicaciones de seguridad nacional e investigación de física fundamental que podría remodelar múltiples campos científicos.
Desmayando nuevos caminos en la ciencia de alto campo
El hito representa más que un número más grande. “Este hito marca el comienzo de los experimentos que se mudan a un territorio inexplorado para la ciencia de campo estadounidense”, dijo Karl Krushelnick, director del Centro Gérard Mourou para la ciencia óptica ultrarrápida, que alberga a Zeus.
https://www.youtube.com/watch?v=3syblssqbze
A diferencia de las instalaciones láser anteriores que funcionan como herramientas de un solo propósito, Zeus ofrece flexibilidad sin precedentes. “Una de las mejores cosas de Zeus es que no es solo un gran martillo láser, sino que puedes dividir la luz en múltiples vigas”, explicó Franklin Dollar, profesor de física y astronomía en la Universidad de California, Irvine, cuyo equipo está ejecutando el primer experimento de usuario en 2 Petawatts.
El entusiasmo de Dollar refleja una emoción más amplia en la comunidad física. “Tener un recurso nacional como este, que otorga tiempo a los usuarios cuyos conceptos experimentales son más prometedores para avanzar en las prioridades científicas, realmente está trayendo a los Estados Unidos de alta intensidad a los Estados Unidos”
Persiguiendo el rendimiento del acelerador de partículas
Los experimentos actuales apuntan a producir haces de electrones con energías equivalentes a las creadas por aceleradores de partículas de cientos de metros de largo. Esto representaría un aumento de 5-10 veces sobre las energías anteriores del haz de electrones logrado en ZEUS.
La técnica se basa en la aceleración de Wakefield: electrones de imagina surfeando detrás de un pulso láser como Wakeboarders, arrastrando una lancha rápida. “Nuestro objetivo es alcanzar energías de electrones más altas utilizando dos haces láser separados, uno para formar un canal guía y el otro para acelerar los electrones a través de él”, dijo Anatoly Maksimchuk, científico de investigación de la Universidad de Michigan que dirige el desarrollo del área experimental.
La física se vuelve maravillosamente extraña cuando la luz se encuentra con el plasma. El pulso láser se estrella en gas helio, arrancando electrones de los átomos y creando una sopa de partículas cargadas. La luz viaja más lentamente a través de este plasma, lo que permite que los electrones se alcancen y viajen en la estela electromagnética a velocidades increíbles.
Especificaciones técnicas clave:
- Potencia máxima: 2 petawatts (2 cuátiles de vatios)
- Duración del pulso: 25 quintillonésimas de segundo
- Ancho final del haz: 0.8 micras (más estrecho que un glóbulo rojo)
- Tamaño de la instalación: similar al gimnasio escolar
- Diámetro del cristal: casi 7 pulgadas de titanio-sapphire
El camino hacia aún más poder
Pero Zeus no ha terminado de crecer. La instalación obtiene su nombre completo: “Sistema de pulso láser ultrashort equivalente de Zettawatt”, desde un experimento de firma planificado a finales de este año. Cuando los electrones acelerados chocan de frente con pulsos láser, la interacción simulará los efectos de un pulso a escala de zettawatt, un millón de veces más potente que el láser conductor.
Llegar a 2 Petawatts requirió superar desafíos técnicos significativos. El camino ha sido “lento y cuidadoso”, con el mayor obstáculo que es un gran cristal de titanio-sapphire necesario para el amplificador final.
“El cristal que vamos a conseguir en el verano nos llevará a 3 Petawatts, y se tardó cuatro años y medio en fabricar”, dijo Franko Bayer, gerente de proyecto de Zeus. “El tamaño del cristal de zafiro de titanio que tenemos, solo hay unos pocos en el mundo”.
De la medicina a la seguridad nacional
Las aplicaciones se extienden mucho más allá de la física pura. La investigación en Zeus abarca medicina, seguridad nacional, ciencia de los materiales y astrofísica. La National Science Foundation, que financia la instalación, ve un amplio potencial.
“La investigación fundamental realizada en la instalación de NSF ZEUS tiene muchas aplicaciones posibles, incluidos mejores métodos de imágenes para tejidos blandos y avanzar en la tecnología utilizada para tratar el cáncer y otras enfermedades”, dijo Vyacheslav Lukin, director del programa de la División de Física de NSF.
Lo que hace que Zeus sea particularmente valioso es su accesibilidad. Como instalación de usuario, los equipos de investigación en todo el país e internacionalmente pueden enviar propuestas de experimentos que experimenten una revisión independiente, democratizando el acceso a la ciencia láser de vanguardia.
Un ágil gigante
A pesar de su inmenso poder, Zeus opera con una sorprendente agilidad. “Como una instalación de tamaño intermedia, podemos operar más ágil que las instalaciones a gran escala como los aceleradores de partículas o el centro de encendido nacional”, señaló John Nees, científico de investigación de la Universidad de Michigan que dirige la construcción de Zeus Laser. “Esta apertura atrae nuevas ideas de una comunidad más amplia de científicos”.
La instalación ya ha organizado 11 experimentos separados que involucran a 58 investigadores de 22 instituciones desde su apertura en octubre de 2023. Incluso mientras operan en niveles de potencia más bajos, Zeus ha demostrado su valor para la comunidad científica.
El viaje a 2 Petawatts implicó una cuidadosa resolución de problemas, incluido el descubrimiento de que el oscurecimiento preocupante de los componentes ópticos críticos provino de depósitos de carbono en lugar de daños permanentes. El equipo aprendió a equilibrar los límites de empuje con la protección de equipos costosos.
A medida que Zeus continúa actualizando hacia su potencial completo de 3 petawatt, representa el regreso de Estados Unidos a la vanguardia de la ciencia láser de alta intensidad, un pulso de una mil millones de segundos a la vez.
Si nuestros informes lo han informado o inspirado, considere hacer una donación. Cada contribución, sin importar el tamaño, nos permite continuar entregando noticias y noticias médicas precisas, atractivas y confiables. El periodismo independiente requiere tiempo, esfuerzo y recursos: su apoyo asegura que podamos seguir descubriendo las historias que más le importan.
Únase a nosotros para hacer que el conocimiento sea accesible e impactante. ¡Gracias por estar con nosotros!