Il laser che sarà il più potente degli Stati Uniti si prepara a inviare i suoi primi impulsi verso un bersaglio sperimentale dell'Università del Michigan.

Chiamato ZEUS, il sistema laser a impulsi ultracorti equivalente a Zetawatt, esplorerà la fisica dell'universo quantistico e dello spazio esterno e si prevede che contribuirà alle nuove tecnologie in medicina, elettronica e sicurezza nazionale.

"ZEUS sarà il laser con la massima potenza di picco negli Stati Uniti e tra i sistemi laser più potenti al mondo. Non vediamo l'ora di far crescere la comunità di ricerca e di coinvolgere persone con nuove idee per esperimenti e applicazioni", ha affermato Karl Krushelnick, direttore del Center for Ultrafast Optical Science, che ospita ZEUS, e il professore universitario di ingegneria Henry J. Gomberg.

La prima area target da attivare è l'area target ad alta ripetizione, che esegue esperimenti con impulsi laser più frequenti ma di potenza inferiore. L'ex del Michigan Franklin Dollar, professore associato di fisica e astronomia presso l'Università della California Irvine, è il primo utente e il suo team sta esplorando un nuovo tipo di imaging a raggi X.

Useranno ZEUS per inviare impulsi laser a infrarossi in un bersaglio gassoso di elio, trasformandolo in plasma. Quel plasma accelera gli elettroni ad alte energie e quei fasci di elettroni si muovono quindi per produrre impulsi di raggi X molto compatti.

Il team di Dollar indaga su come creare e utilizzare questi nuovi tipi di sorgenti di raggi X. Poiché i tessuti molli assorbono i raggi X a velocità molto simili, le macchine a raggi X mediche di base devono fornire alte dosi di radiazioni prima di poter distinguere tra un tumore e un tessuto sano, ha affermato.

Ma durante i suoi studi di dottorato sotto Krushelnick, Dollar ha usato il predecessore di ZEUS per immaginare una damigella, mostrando la promessa di impulsi di raggi X simili a laser. Diversi tessuti molli all'interno del carapace della damigella hanno ritardato i raggi X a gradi diversi, creando schemi di interferenza nelle onde dei raggi X. Questi schemi hanno rivelato le strutture morbide con impulsi di raggi X molto brevi, pochi milionesimi di miliardesimo di secondo, e quindi piccole dosi di raggi X.

"Potevamo vedere ogni piccolo organo così come i minuscoli micro peli sulla sua gamba", ha detto Dollar. "È molto eccitante pensare a come potremmo usare questi raggi X simili a laser per eseguire imaging a basse dosi, sfruttando il fatto che sono simili a laser piuttosto che dover fare affidamento sull'imaging di assorbimento del passato. "

In questa prima corsa, il team ZEUS parte da una potenza di 30 terawatt (30 trilioni di watt), circa il 3% degli attuali laser più potenti negli Stati Uniti e l'1% della potenza massima finale di ZEUS.

"Durante l'esperimento qui, metteremo la prima luce attraverso la camera bersaglio e ci svilupperemo fino a quel livello di 300 terawatt", ha affermato John Nees, ricercatore in ingegneria elettrica e informatica.

Nees guida la costruzione del laser insieme ad Anatoly Maksimchuk, un ricercatore in ingegneria elettrica e informatica, che guida lo sviluppo delle aree sperimentali.

La squadra di Dollar prevede di tornare alla fine dell'autunno per un'altra corsa, puntando alla piena potenza destinata all'area target ad alta ripetizione, 500 terawatt. La potenza massima di 3 petawatt, o quadrilioni di watt, andrà a diverse aree target per essere completata in seguito. Il primo test che utilizza l'area target per l'esperimento della firma di ZEUS è previsto nel 2023.

Tale esperimento utilizzerà il laser per generare un raggio di elettroni ad alta velocità e quindi far scorrere gli elettroni direttamente negli impulsi laser. Per gli elettroni, ciò simula un impulso laser di zetawatt, un milione di volte più potente dei 3 petawatt di ZEUS. Oltre a sondare le basi della nostra comprensione dell'universo quantistico, ZEUS consentirà ai ricercatori di studiare cosa sta succedendo all'interno di alcuni degli oggetti più estremi nello spazio.

"I magnetari, che sono stelle di neutroni con campi magnetici estremamente forti intorno a loro e oggetti come nuclei galattici attivi circondati da plasma molto caldo:possiamo ricreare la microfisica del plasma caldo in campi estremamente forti in laboratorio", ha affermato Louise Willingale, direttrice associata di ZEUS e professore associato di ingegneria elettrica e informatica.

ZEUS offre non solo opportunità scientifiche e tecnologiche, ma con lo sforzo a livello di disciplina per far crescere la forza lavoro della fisica dei laser, crea anche opportunità di carriera. Dollar ha portato tutto il suo team per provare l'esperienza pratica di un esperimento di messa in servizio su un laser di livello mondiale. + Esplora ulteriormente

ZEUS dell'Università del Michigan sarà il laser più potente degli Stati Uniti