Вступаючи в майбутнє з гамма-лазерами

Чи може існувати більше всесвітів, ідентичних нашому чи відмінних від нього? Що ж, ми поки що не знаємо.  

Хоча теорія мультивсесвіту Стівена Гокінга є важливою концепцією в MCU, вона залишається недоведеною, існує лише в царині кіно та теоретичної фізики.

Що нам потрібно, щоб довести існування, так це квантовий пристрій. Це просто система, яка використовує квантово-механічні ефекти для роботи, спираючись на контроль та маніпулювання квантовими взаємодіями для досягнення функціональності, неможливої в класичних системах.

У фізиці квант, сингулярна форма кванти — це мінімальна кількість будь-якої фізичної сутності. Наприклад, квант світла – це фотон.

Тепер, щоб розкрити таємниці Всесвіту, Нам знадобиться специфічний квантовий пристрій: гамма-лазер.

Цей гіпотетичний пристрій зміг би виробляти когерентні гамма-промені, подібно до того, як звичайний лазер виробляє когерентні промені видимого світла. Гамма-промінь (символ γ) — це проникаюча форма електромагнітного випромінювання, що виникає внаслідок високоенергетичних взаємодій, таких як радіоактивний розпад атомних ядер. Він також виникає внаслідок астрономічних подій, таких як сонячні спалахи. 

Гамма-промені складаються з електромагнітних хвиль найкоротшої довжини хвилі, коротших за рентгенівські. Вони мають частоти вище 30 екзагерц та довжини хвиль менше 10 пікометрів. Фотони гамма-променів також мають найвищу енергію фотона серед усіх форм електромагнітного випромінювання.

Кілька років тому вчені виявлено гамма-промені з найвищою енергією за всю історію, 20 тераелектронвольт, що приблизно в десять трильйонів разів перевищує енергію видимого світла, від мертвої зірки, яка називається пульсаром. 

Тим часом, наприкінці минулого року, астрофізики захоплений зображення гамма-спалахів від надмасивної чорної діри M87.

Джерело зображення: Університет Каліфорнії

Раніше цього року багатосенсорне виявлення інтенсивного гамма-спалаху було спостерігається після зіткнення двох лідерів блискавок¹Це був перший випадок, коли наземний гамма-спалах (TGF) спостерігався синхронно з розрядом. блискавки.

Гамма-промені, що спостерігаються в різних космічних явищах, також активно вивчаються та створюються за допомогою спеціальних експериментів.

Експерименти з гамма-лазерами та техніко-економічні дослідження

Гамма-промені – це форма високоенергетичного електромагнітного випромінювання, яке має високу проникність і пропонує кілька переваг, зокрема:у різних галузях. 

Його потенційні застосування включають медичну візуалізацію, рух космічних апаратів, лікування раку, та міжзоряні подорожі. З огляду на його величезні можливості, вчені всього світу досліджують можливість створення гамма-лазера, або гразера, для отримання когерентних гамма-променів. 

Вчені з Рочестерського університету отримали на це федеральне фінансування, за що вони вивчення можливості використання когерентних джерел світла.

Ще в 1980-х роках Жерар Муру та Донна Стрікленд з Рочестерського університету винайшли посилення чіпкаючого пульсу (CPA) – метод, що збільшує пікову потужність лазерів, який пізніше отримав Нобелівську премію з фізики 2018 року. Однак розробка лазерів, що виробляють гамма-промені, ще належить здійснити. Щоб вирішити цю проблему, вони досліджують... когерентні властивості випромінювання, що випромінюється при зіткненні щільних згустків електронів із сильним лазерним полем, що допоможе їм зрозуміти, як виробляти когерентні гамма-промені.

"Здатність створювати когерентні гамма-промені стала б науковою революцією у створенні нових видів джерел світла, подібно до того, як відкриття та розробка джерел видимого світла та рентгенівського випромінювання змінили наше фундаментальне розуміння атомного світу.

– Провідний дослідник, Антоніно Ді П'яцца та професор фізика в університеті

Щоб вивчити, як електрони взаємодіють з лазерами, випромінюючи світло високої енергії, дослідники почнуть з вивчення того, як один або два електрони випромінюють світло, перш ніж досліджувати складніші ситуації з багатьма електронами, що призводять до утворення когерентних гамма-променів. 

"«Ми не перші вчені, які намагалися створити гамма-промені таким чином», – сказав Ді П’яцца. на той час.Але ми робимо це, використовуючи повністю квантову теорію — квантову електродинаміку — яка є передовим підходом до вирішення цієї проблеми."

Інший підхід до розробки гамма-лазерів включає збудження ядерними ізомерами. 

A дипломну роботу² кілька місяців тому окреслив метод збудження ядер певних ізотопів до ядерного стану з вищою енергією. За допомогою нейтронного бомбардування ізомерні ядра збуджуються до метастабільних ізомерних станів, перш ніж запускати вимушене випромінювання гамма-променів для досягнення когерентності ядра.

Їхній новий та «дещо нетрадиційний» метод має на меті вирішити «дилему Гразера» шляхом зміщення кристалічної решітки під час нейтронного бомбардування. 

"Ця технологія має потенціал для створення надзвичайно потужних лазерів, які можуть бути використаним у різних застосуваннях, включаючи лазерну зброю,«зазначив Йордан Кацаров з кафедри авіаційної техніки та технологій, яка входить до складу Повітряно-повітряної академії Болгарії імені Георгія Бенковського.

Тепер вчені з Університету Колорадо в Денвері створили чіп, який одного дня зможе розблокувати гамма-лазери.

Цей новаторський квантовий пристрій, достатньо малий, щоб поміститися в руці, може генерувати екстремальні електромагнітні поля, які раніше були можливі лише в масивних колайдерах частинок. Чіп розміром з великий палець має потенціал замінити кілометрові колайдери частинок у недалекому майбутньому та допомогти нам розгадати глибокі таємниці нашого Всесвіту, перевірити теорії мультивсесвіту та створити потужні гамма-лазери для знищення ракових клітин на атомному рівні та забезпечення інших революційних медичних методів лікування.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Крихітний чіп робить мрії про гамма-лазер досяжними

Опубліковано в Advanced Quantum Technologies, журналі, що висвітлює теоретичні та експериментальні дослідження в квантовій науці, матеріалах та технологіях, останнє дослідження³ був представлений на обкладинці червневого випуску.

Як зазначалося в дослідженні, нанометричне обмеження електромагнітної енергії можливе за допомогою плазмонів.

Плазмон – це квант плазмових коливань, який – це швидке коливання електронної густини в плазмі або металах. Ці квазічастинки утворюються колективними коливаннями електронного газу зони провідності. 

А «екстремальні плазмони розкривають безпрецедентні можливості, включаючи доступ до безпрецедентних полів у петавольтах на метр» (поля PV/м), які є надзвичайно високою напруженістю електричного поля, що, як зазначається в дослідженні, «відкривають нові, широкі можливості, зокрема у фізиці елементарних частинок та фотонній науці, завдяки нанометричному обмеженню великомасштабної електромагнітної енергії».

Отже, дослідники розробили аналітичну модель цього класу плазмонів на основі квантово-кінетичної структури.

Цей останній прорив було зроблено в Університеті Колорадо в Денвері з метою революціонізувати наше розуміння фізики та хімії.

«Це дуже захопливо, тому що ця технологія відкриє цілком нові галузі досліджень і матиме прямий вплив на світ».

– Аакаш Сахай, доцент кафедри електротехніки CU Denver

Сахай разом із Каляном Тірумаласетті, студентом його лабораторії, який працює з ним над цією технологією, наближається до надання науковій спільноті нового інструменту, який допоможе їм перетворити наукову фантастику на реальність.

«У минулому ми мали технологічні прориви, які рухали нас вперед, такі як субатомна структура, що призвела до лазерів, комп’ютерних чіпів та світлодіодів. Ця інновація, яка також базується «щодо матеріалознавства, відбувається приблизно так само», – додав Сахай, який має ступінь доктора філософії з фізики плазми Університет Дьюка та ступінь магістра з електротехніки Стенфордського університету.

Що має було досягнуто У цьому дослідженні запропоновано спосіб створення екстремальних електромагнітних полів у лабораторії, що раніше було неможливо..

Ці електромагнітні поля живлять усе: від наших комп'ютерних чіпів до суперколайдерів частинок, які прискорюють і стикаються з субатомними частинками при надзвичайно високих енергіях, щоб отримати уявлення про природу матерії, енергії та раннього Всесвіту. 

Саме коли електрони в матеріалі вібрують і відскакують з надзвичайно високою швидкістю, виникають ці електромагнітні поля створюються.

Однак створення достатньо сильних полів для проведення складних експериментів вимагає величезних і дорогих установок.

Наприклад, вчені, які досліджують темну матерію, використовують такі машини, як Великий адронний колайдер (ВАК). у Європейській організації ядерних досліджень, ЦЕРН, яка є найбільша у світі лабораторія фізики елементарних частинок, розташована в Швейцарія ВАК – найпотужніший прискорювач частинок у світі, що включає кільце надпровідних магнітів довжиною 16.7 милі (27 кілометрів) з кількома прискорювальними структурами для збільшення енергії частинок на шляху.

Проведення експериментів у такому масштабі вимагає величезних ресурсів. Це не тільки дуже дорого, але й може бути дуже нестабільним.

Щоб подолати цю проблему, лабораторія Сахаї створила матеріал на основі кремнію (Si), схожий на чіп, розміром з великий палець.

Кремній — це напівпровідник, властивості якого (електропровідність) можна змінювати шляхом додавання домішок (легування), і він використовується для виробництва мікрочіпів, що містяться в повсякденних пристроях, таких як мобільні телефони, а також в автомобілях з автономним керуванням.

Новий чіпоподібний матеріал може обробляти пучки високоенергетичних частинок та контролювати потік енергії. Він також дозволяє вченим та дослідникам отримати доступ до електромагнітних полів, які виробляються коливаннями або осциляціями квантового електронного газу. І все це досягається в крихітному просторі.

Швидкий рух (коливання) створює електромагнітні поля, тоді як техніка Сахаї дозволяє матеріалу керувати тепловим потоком, що генерується вібрацією, і допомагає підтримувати стабільність і цілісність зразка.

«Маніпулювання таким високим потоком енергії зі збереженням основної структури матеріалу – це прорив. Цей прорив у технологіях може реально змінити світ. Йдеться про розуміння того, як працює природа». і використовувати ці знання, щоб позитивно впливати на світ."

- Тірумаласетті

Їхні технології можуть потенційно стиснути довгі колайдери до чипа та дозволити вченим спостерігати за активністю, як ніколи раніше.

Університет вже подав заявки та отримав попередні патенти на цю технологію як у США, так і за кордоном.

Однак практичне застосування цієї технології в реальному світі займе роки. 

Фактично, деякі фундаментальні роботи з технології розпочалися сім років тому у 2018 році, коли Сахай опублікував своє дослідження про прискорювачі антиречовини. Він сказав:

«Це займе деякий час, але за мого життя це дуже ймовірно».

Сказавши, що, він має величезний потенціал, щоб допомогти нам краще зрозуміти, як працює Всесвіт у його фундаментальному масштабі, і таким чином покращити життя. Як зазначив Сахай, це також може зробити гамма-лазери реальністю.

«Ми могли б отримати зображення тканини не лише до ядра клітин, а й до ядра атомів, що лежать в їх основі. Це означає, що вчені та лікарі змогли б побачити, що відбувається на ядерному рівні, і це могло б пришвидшити наше розуміння величезних сил, які домінують у таких малих масштабах, а також призвести до кращих медичних методів лікування», – пояснив він. «Зрештою, ми могли б розробити гамма-лазери для модифікації ядра та видалення ракових клітин на нанорівні».

Метод «екстремальних плазмонів», який також є назвою дослідження, також може допомогти нам перевірити можливість існування мультивсесвіту.

Однак робота над крихітним чіпом ще не завершена. І Сахі, і Тірумаласетті тепер зосередяться на вдосконаленні матеріалу кремнієвого чіпа та лазерної техніки в Національній прискорювальній лабораторії SLAC, об'єкті світового класу, що керується Стенфордським університетом і фінансується Міністерством енергетики США (DOE), де технологію було випробувано.

Моделювання квантового вакууму за допомогою надпотужних лазерів

Отже, як ми бачили, від космосу до лабораторії наше розуміння найекстремальнішого світла у Всесвіті швидко розвивається. 

Ми зафіксували гамма-спалахи від далеких пульсарів, стали свідками надмасивних спалахують чорні діри у високоенергетичній славі, і навіть зафіксували зіткнення, схожі на блискавки, які викликають земні гамма-спалахи. Тепер ми вчимося відтворювати подібні умови тут, на Землі. 

Кілька місяців тому фізики з Оксфордського університету змоделювали, як інтенсивні лазерні промені можуть генерувати світло там, де його немає, перетворивши теоретичну концепцію на реальність. 

Фізикам вдалося вперше створити 3D-моделювання того, як інтенсивні лазерні промені можуть впливати на квантовий вакуум та змінювати його.

Опубліковано в журналі «Фізика зв'язку» вчитися⁴ деталі за допомогою передового обчислювального моделювання для імітації того, як потужні лазери взаємодіють з квантовим вакуумом, показуючи в процесі, як фотони відбиваються один від одного та створюють нові промені світла.

Моделювання відтворило вакуумне чотирихвильове змішування (ЧХЗ) – явище, передбачене квантовою фізикою, яка стверджує, що комбіноване електромагнітне поле трьох сфокусованих лазерних імпульсів може поляризувати віртуальні електрон-позитронні пари вакууму, створюючи новий лазерний промінь у так званому процесі «світло з темряви». 

«Це не просто академічна цікавість – це важливий крок до експериментального підтвердження квантових ефектів, які досі були здебільшого теоретичними».

– Співавтор дослідження Пітер Норрейс, професор Оксфордського університету

Симуляції були запущені використанням удосконаленої версії програмного забезпечення для моделювання (OSIRIS), яке моделює лазер взаємодія балок з плазмою або речовиною.

«Наша комп’ютерна програма надає нам тривимірне вікно з роздільною здатністю в часі у квантові вакуумні взаємодії, які раніше були недоступні. Застосувавши нашу модель до експерименту з розсіюванням трьох променів, ми змогли охопити повний спектр квантових сигнатур, а також детально зрозуміти область взаємодії та ключові часові шкали».

– Цзисінь (Лілі) Чжан, провідний автор дослідження та докторантка фізичного факультету Оксфордського університету

Ці моделі використовуються дослідниками для розробки реальних експериментів, таких як визначення форм лазерів та часу імпульсів. Більше того, симуляції можуть дати нове розуміння того, як навіть невеликі асиметрії в геометрії балки можуть змінити результат і як взаємодії розвиваються в режимі реального часу.

Окрім допомоги у плануванні майбутніх експериментів з високоенергетичними лазерами, команда вважає, що інструмент також може допомогти у пошуку ознак гіпотетичних субатомних частинок, таких як аксіони, провідного кандидата на темну матерію.

«Широкий спектр запланованих експериментів на найсучасніших лазерних установках буде бути дуже допоможеним «за допомогою нашого нового обчислювального методу, реалізованого в OSIRIS», – сказав співавтор дослідження Луїс Сілва, професор Вищого технічного інституту Лісабонського університету. «Поєднання надінтенсивних лазерів, найсучаснішого детектування, передового аналітичного та числового моделювання є основою нової ери у взаємодії лазера з речовиною, яка відкриє нові горизонти для фундаментальної фізики».

Інвестування в лазерні технології

Враховуючи, що гамма-лазер ще не створений було реалізовано, ми розглянемо інвестиційний потенціал компанії, що займається загальними лазерними технологіями. 

L3Harris Technologies (LHX ) є провідним гравцем у сфері передової фотоніки та високоенергетичних лазерних систем для оборонної та аерокосмічної галузі. Компанія виробляє різноманітні лазерні системи, які відомі своїми компактними розмірами та високою продуктивністю. 

З ринковою капіталізацією в 50.7 мільярда доларів, акції LHX зараз торгуються за ціною 272.31 долара, що на 29% більше з початку року. Лише на початку цього місяця акції компанії досягли нового максимуму в 280.52 долара, що більш ніж на 45% більше, ніж квітневий мінімум. Таким чином, її прибуток на акцію (TTM) становить 8.96, а коефіцієнт P/E (TTM) – 30.27.

Акціонери LHX можуть насолоджуватися дивідендною дохідністю у розмірі 1.77%.

Що стосується фінансових показників компанії, L3Harris Technologies повідомила про дохід у розмірі 5.4 млрд доларів США та замовлення на суму 8.3 млрд доларів США за другий квартал 2 року. Операційна рентабельність компанії становила 2025%, а скоригована операційна рентабельність сегмента – 10.5%. Розведений прибуток на акцію (EPS) склав 15.9 долара США, тоді як збільшення розведеного EPS без урахування GAAP на 2.44% дозволило йому досягти 16 долара США.