Yabancı Ekip, 1,000 Kat Daha Fazla Güçle Lazer Darbeleri Oluşturmanın Yeni Yolunu Geliştiriyor!

Yakın zamanda yapılan ortak bir çalışmada bilim insanları, vakumdan parçacıkları çıkarmak ve maddenin doğasını incelemek amacıyla ışığın yoğunluğunu yeterince artırmak amacıyla ışığı sıkıştırmanın yeni bir yöntemini göstermek için bilgisayar simülasyonlarını kullandılar.
Bunu başarmak için, üç araştırma grubu çok özel bir ayna yaratmak için güçlerini birleştirdi; bu ayna yalnızca ışık darbelerini yansıtmakla kalmıyor, aynı zamanda onları daha fazla sıkıştırma potansiyeliyle birlikte 200'den fazla faktörle zaman içinde sıkıştırıyor.
Strathclyde Üniversitesi, UNIST ve GIST'ten gelen ekip basit bir fikir ortaya attı: plazmanın (tamamen iyonize madde) yoğunluğundaki gradyanları kullanarak, bir dizi uzatılmış arabaya benzer şekilde fotonları "kümelemek"! dik bir tepeyle karşılaştığınızda. Bu, yeni nesil lazerlerde devrim yaratabilir ve güçlerini bugün elde edilebilenin bir milyon katından fazla artırabilir.
Lazer darbelerini plazmada sıkıştırmanın bu yeni yöntemi Nature Photonics dergisinde yayınlandı.
Dünyadaki en yüksek güçlü lazerlerin tepe gücü yaklaşık 10 watt'tır. Bu bağlamda, 173 beat-watt (173 x 1015 W) güneş ışığı Dünya'nın üst atmosferine ulaşır ve bunun yaklaşık üçte biri Dünya yüzeyine ulaşır. Bir beat-watt 1015 W, bir ewatt 1018 W ve bir zephyr-watt 1021 W'tur. Güneş 4x1026 watt elektrik veya 400,000 zettawatt üretir.
Yüksek güçlü lazerler, çok kısa süreli, tipik olarak birkaç femtosaniye (1 femtosaniye=10-15 saniye) ışık darbeleri üretir; bu, cıvıl cıvıl nabız amplifikasyonu (CPA) adı verilen, darbe sıkıştırmasını içeren, esas olarak enerjiyi yoğunlaştırır. Kısa bir süre boyunca bir lazer darbesinin uygulanması, böylece tepe gücünün birçok büyüklük düzeyinde arttırılması sağlanır.
Strathclyde Üniversitesi Fizik Bölümü'nden Profesör Dino Jaroszynski şunları söyledi: "Işık yoğunluğu Dünya'da yaygın olan seviyeleri aştığında ne olacağı önemli ve temel bir sorudur. Yüksek güçlü lazerler, bilim adamlarının doğayla ilgili temel soruları yanıtlamalarını sağlar. Madde ve boşluk arasındaki ilişkiyi ve sözde yoğunluk sınırını keşfetmeyi hedefliyoruz."
"Terawatt'tan beat-watt'a kadar lazerlerin maddeye uygulanması, geleneksel gaz pedallarından binlerce kat daha küçük olan yeni nesil lazer plazma gaz pedallarının geliştirilmesine olanak sağlıyor. Bilim insanlarına yeni araçlar sağlamak, bilimsel araştırmaların yürütülme şeklini değiştiriyor. Yüksek güçlü lazerlere dayalı uygulamaları geliştirmek için Strathclyde Üniversitesi'nde İskoç Plazma Hızlandırıcı Uygulamaları Merkezi'ni (SCAPA) kurduk."
UNIST'ten Profesör Min Sip Hur şunları söyledi: "Bu araştırmanın sonuçlarının, ileri teorik fizik ve astrofizik dahil olmak üzere çeşitli alanlara uygulanabilir olması bekleniyor. Ayrıca, insanlığın karşı karşıya olduğu enerji sorunlarının çözülmesine yardımcı olmak için lazer füzyon araştırmalarında da kullanılabilir. Kore ve İngiltere ortak ekibimiz bu fikirleri laboratuvarda deneysel olarak doğrulamayı planlıyor."
GIST'ten Prof. Hyyong Suk şunları söyledi: "Plazma, bir CPA sisteminde geleneksel bir kırınım ızgarasına benzer bir rol oynayabilir, ancak yok edilmeyecek bir malzemedir. Bu nedenle, çok basit bir yapıyı dahil ederek geleneksel CPA teknolojisini geliştirecektir. İlave bileşen: Plazma yalnızca birkaç santimetre boyutunda olsa bile, tepe gücü 100 milyon watt'ın üzerinde olan lazerlerde kullanılabilir."
Bir milyar watt ve sıfır watt zaten çok yüksek güçlerdir, ancak lazer darbesini enerjisini yoğunlaştırmak için küçük bir noktaya odaklamak için mercekler veya kavisli aynalar kullanılarak yoğunlukları büyük ölçüde artırılabilir. Bir lazer darbesini zaman içinde daha kısa bir süreye sıkıştırmaya benzer şekilde, aynı şey darbeyi uzayda sıkıştırmak, yani onu küçük bir noktaya odaklamak için de yapılabilir. Dolayısıyla uzayda veya zamanda sıkıştırma, lazer darbe yoğunluğunun çok genel bir şekilde artmasına olanak tanır. Uzamsal sıkıştırma, güneş ışığını bir kağıt parçasına odaklayan bir mercek kullanılarak kolayca test edilebilir; kendiliğinden yanacaktır.
Madde artan yoğunlukla çeşitli değişikliklere uğrar. Örneğin, görünür dalga boylarındaki hava iyonizasyonu 1010-1012 W/cm2'yi aşıyor ve elektronlar 1018 W/cm2'yi aşan yoğunluktaki lazerlere maruz bırakıldığında ışık hızına yaklaşarak göreceli optik alanına yol açıyor.
1024 W/cm2 ve üzeri yoğunluklarda protonlar ışık hızına yaklaşmakta ve güçlü bir lazer alanına maruz kalan parçacıklar, fizikteki mevcut yoğunluk sınırı olan kendi radyasyon alanıyla reaksiyona girmektedir. İyi bilinen Schwinger sınırı olan 1029 W/cm2'nin üzerindeki yoğunluklarda parçacıklar doğrudan vakum ışığından oluşturulur ve doğrudan maddeye dönüştürülebilir. Bunun için AiW'den ZiW'ye lazerler gerekir.
1024 W/cm2'nin üzerindeki yoğunluklarda maddenin ve boşluğun doğasını anlamak, modern fiziğin en önemli zorluklarından biridir. Yüksek güçlü lazerler aynı zamanda laboratuvarda astrofiziksel olayların incelenmesine de olanak tanıyarak yıldızların iç kısımlarına ve evrenin kökenlerine dair benzersiz bilgiler sağlar.