I ricercatori hanno dimostrato un'intensità record dell'impulso laser di oltre 10 ²³ l/cm ² utilizzando il laser petawatt presso il Center for Relativistic Laser Science (CoReLS), Institute for Basic Science nella Repubblica di Corea. Ci sono voluti più di un decennio per raggiungere questa intensità laser, che è dieci volte quello riportato da un team dell'Università del Michigan nel 2004. Questi impulsi di luce ad altissima intensità consentiranno l'esplorazione di complesse interazioni tra luce e materia in modi prima non possibili.

Il potente laser può essere utilizzato per esaminare fenomeni ritenuti responsabili di raggi cosmici ad alta potenza, che hanno energie superiori a un quadrilione (10 ¹⁵ ) elettronvolt (eV). Sebbene gli scienziati sappiano che questi raggi provengono da qualche parte al di fuori del nostro sistema solare, come sono fatti e cosa li sta formando è un mistero di vecchia data.

"Questo laser ad alta intensità ci consentirà di esaminare in laboratorio fenomeni astrofisici come la diffusione di elettroni-fotoni e fotoni-fotoni, " disse Chang Hee Nam, direttore di CoReLS e professore al Gwangju Institute of Science &Technology. "Possiamo usarlo per testare sperimentalmente e accedere a idee teoriche, alcuni dei quali sono stati proposti per la prima volta quasi un secolo fa."

In ottica , i ricercatori riportano i risultati di anni di lavoro per aumentare l'intensità degli impulsi laser dal laser CoReLS. Lo studio delle interazioni laser con la materia richiede un raggio laser ben focalizzato e i ricercatori sono stati in grado di focalizzare gli impulsi laser su una dimensione del punto di poco più di un micron, meno di un cinquantesimo del diametro di un capello umano. La nuova intensità del laser da record è paragonabile alla focalizzazione di tutta la luce che raggiunge la terra dal sole in un punto di 10 micron.

"Questo laser ad alta intensità ci consentirà di affrontare una scienza nuova e stimolante, elettrodinamica quantistica di campo particolarmente forte, di cui si sono occupati principalmente i teorici, " disse Nam. "Oltre ad aiutarci a comprendere meglio i fenomeni astrofisici, potrebbe anche fornire le informazioni necessarie per sviluppare nuove fonti per un tipo di trattamento con radiazioni che utilizza protoni ad alta energia per curare il cancro".

Rendere gli impulsi più intensi

Il nuovo risultato estende il lavoro precedente in cui i ricercatori hanno dimostrato un sistema laser a femtosecondi, basato su Ti:Zaffiro, che produce impulsi da 4 petawatt (PW) con durate inferiori a 20 femtosecondi mentre è focalizzato su uno spot di 1 micrometro. Questo laser, che è stato segnalato nel 2017, ha prodotto una potenza di circa 1, 000 volte più grande di tutta la potenza elettrica sulla Terra in un impulso laser che dura solo venti quadrilionesimi di secondo.

Per produrre impulsi laser ad alta intensità sul bersaglio, gli impulsi ottici generati devono essere focalizzati in modo estremamente stretto. In questo nuovo lavoro, i ricercatori applicano un sistema di ottica adattiva per compensare con precisione le distorsioni ottiche. Questo sistema prevede specchi deformabili, che hanno una forma della superficie riflettente controllabile, per correggere con precisione le distorsioni nel laser e generare un raggio con un fronte d'onda molto ben controllato. Hanno quindi utilizzato un grande specchio parabolico fuori asse per ottenere una messa a fuoco estremamente stretta. Questo processo richiede una gestione delicata del sistema ottico di messa a fuoco.

"I nostri anni di esperienza acquisita durante lo sviluppo di laser ad altissima potenza ci hanno permesso di portare a termine il formidabile compito di focalizzare il laser PW con la dimensione del raggio di 28 cm su uno spot micrometrico per ottenere un'intensità laser superiore a 10 ²³ l/cm ² , " disse Nam.

Studio dei processi ad alta energia

I ricercatori stanno utilizzando questi impulsi ad alta intensità per produrre elettroni con un'energia superiore a 1 GeV (10 ⁹ eV) e di lavorare nel regime non lineare in cui un elettrone collide con diverse centinaia di fotoni laser contemporaneamente. Questo processo è un tipo di elettrodinamica quantistica a campo forte chiamato scattering Compton non lineare, che si pensa contribuisca alla generazione di raggi cosmici estremamente energetici.

Utilizzeranno anche la pressione di radiazione creata dal laser ad altissima intensità per accelerare i protoni. Comprendere come avviene questo processo potrebbe aiutare a sviluppare una nuova fonte di protoni basata su laser per i trattamenti contro il cancro. Le sorgenti utilizzate nei trattamenti radioterapici odierni vengono generate utilizzando un acceleratore che richiede un enorme scudo antiradiazioni. Si prevede che una sorgente di protoni azionata dal laser riduca il costo del sistema, rendendo la macchina per l'oncologia protonica meno costosa e quindi più ampiamente accessibile ai pazienti.

I ricercatori continuano a sviluppare nuove idee per migliorare ulteriormente l'intensità del laser senza aumentare significativamente le dimensioni del sistema laser. Un modo per ottenere ciò sarebbe trovare un nuovo modo per ridurre la durata dell'impulso laser. Poiché sono ora in funzione laser con picchi di potenza che vanno da 1 a 10 PW e sono in fase di progettazione diversi impianti che raggiungono i 100 PW, non c'è dubbio che la fisica ad alta intensità progredirà enormemente nel prossimo futuro.