Najmoćniji laser na svetu nas vodi korak bliže kontrolisanoj nuklearnoj fuziji

Ime pogona je National Ignition Facility (NIF slobodni prevod: nacionalno postrojenje za paljenje [lasera]) pri nacionalnoj laboratoriji u Livermoru (Livermore) u Kaliforniji (SAD), a značajna je po tome što je projektovala vrlo moćan laser. Pre meseca dana istraživači u NIF-u su uspeli da proizvedu laserski snop jačine 1,8 megadžula. Samo nekoliko dana kasnije, oni su ovaj rekord premašili tako što su iskombinovali 192 slabija lasera u jedan veliki moćni laserski zrak jačine 1,875 megadžula. Dok je zrak prošao kroz sočiva koja služe za fokusiranje snopa, njegova konačna snaga je iznosila 2,03 megadžula.

Postojenje je veliko kao 3 igrališta za američki fudbal

Važnost ove vesti je višestruka. Prvo, NIF je prva institucija koja poseduje ultra-ljubičasti (3ω) laser jačine 2 megadžula. Ovaj laserski impuls je trajao samo 23 nano sekunde, ali to je, samo po sebi, izuzetno. Takođe, pokazali su da mogu prevazići projektovanu snagu sa datim sistemom (od 1,8 megadžula), a da ne dođe do kritične ili opasne situacije. To su dokazali kada se već 36 sati kasnije, još jedom, proizveli laserski zrak iste jačine.

Kontrolna soba u kojoj je zabeležena rekordna snaga lasera 15. marta 2012.

Pobude istraživača, koji se bave projektovanjem visoko energetskih lasera, su mnogo ambicioznije od onoga što je do sada postignuto. Bez ulaženja u to koliki im je bio račun za struju za prošli mesec, njihova želja je da lasere ovakve jačine ispaljuju po 15 puta u sekundi! Naravno, ima još da se radi da bi se postigao takav rezultat, ali kada jednom u tome uspeju, to će otvoriti vrata za nuklearnu fuziju koja bi za rezultat davala pozitivni energetski bilans. Dovoljno jak i dovoljno brz (ovde se misli na dovoljnu učestalost) laser bi mogao da generiše i da održava reakciju fuzije vršeći imploziju (nasilno skupljanje) izotopa vodonika unutar fuzionog reaktora. Proces tako postignute fuzije bio davao više energije nego što se ulaže u pokretanje lasera.

Tehničar podešava poziciju mete unutar komore gde se spaja snaga svih 192 lasera

Opet, predstoji još posla i ulaganja da bi se postigao željeni proces. Za sada, još uvek nisu proizvedeni uslovi u kome bi se prvo dobila fuziona reakcija. Međutim, istraživači sigurno napreduju ka tom cilju. Pre 18 meseci, tadašnji najmočniji laser je mogao da proizvede samo 1% snage koja je potrebna da se steknu uslovi za fuzionu reakciju. Sada, najmoćniji laser proizvodi 10% snage potrebne za fuziju. Ovo je postignuto u zadnjih nekoliko meseci intenzivnog rada. Istraživači tvrde da bi za samo 6 meseci mogli imati laser koji bi imao dovoljno snage da započne proces fuzije.

Kamera koja snima 1 trilion slika (frejmova) u sekundi, prati kretanje fotona kroz prostor

Istraživači sa MIT-a (baš neko vreme nismo pisali o toj instituciji) su razvili novi sistem za dobavljanje vizuelnih podataka – trilion slika u sekundi (1 000 000 000 000 = 1012)! Treba imati na umu da je video ili film koji gledamo, u stvari, niz statičnih fotografija ili slika i to sa učestalošću od 24 do 30 sličica u sekundi. Dakle, novi sistem, sa tolikim brojem slika u sekundi, omogućava pomalo neverovatne stvari. Zahvaljujući novoj aparaturi, snimljen je mali segment svetlosti kako putuje kroz plastičnu flašu, odbija se na poklopcu na vrhu, da bi se, potom, vratio ka njenom dnu.

Doktor Andreas Velten, levo, i njegov kolega profesor Rameš Raskar sa eksperimentalnom postavkom koju su koristili da bi proizveli usporeni snimak odbijanja svetlosti kroz plastičnu bocu.

Postdoktorant Andreas Velten (Andreas Velten), član razvojnog tima pomenutog sistema, naziva ga „ultimativnim“ u domenu slow-motion-a (usporenog kretanja). „Sada, ne postoji i jedna stvar u svemiru koja je prebrza za ovu kameru.“ tvrdi on.

Ceo sistem se bazira na skoro razvijenoj tehnologiji koja se zove streak kamera, ali iskorišćena na pomalo neočekivani način. Otvor na samoj kameri je uzak usek. Čestice svetlosti – fotoni – ulaze u kameru kroz taj otvor i bivaju konvertovane u elektrone, koji prolaze kroz električno polje koje ih odbija. Pravac odbijanja je normalan (ortogonalan) na pravac po kome se prostire ulazni usek. Kako se električno polje menja vrlo brzo, ono više odbija fotone koji dolaze kasnije od onih koji dolaze ranije.

Slika koju kamera proizvede je, stoga, dvodimenzionalna, ali samo jedna od dimenzija (ona koja predstavlja smer i pravac useka) je prostorna. Druga dimenzija, zavisna od ugla odbijanja, je vreme. Dobijena slika predstavlja vreme dolaska fotona koji prolazi kroz jednodimenzionalno parče prostora.

Kamera je namenjena za eksperimente gde svetlost prolazi ili se emituje od strane hemijskih uzoraka. Kako su hemičari, uglavnom, zainteresovani za talasnu dužinu svetlost koju uzorak upije ili kako se emitovana svetlost menja tokom vremena, činjenica da kamera registruje samo jednu prostornu dimenziju je irelevantna.

To predstavlja ozbiljnu manu kod video kamere. Da bi proizveli super spori video, Velten i profesor Rameš Raskar (Ramesh Raskar) i profesor hemije Moungi Bavendi (Moungi Bawendi), moraju stalno iznova raditi isti eksperiment, a da pri svakom novoj iteraciji malo pomere ugao kamere. Na ovaj način, dobija se dvodimenzionalna slika koja se polako sastavlja iz mnoštva horizontalnih linija. (Ovo je sistem po kome se stvara slika na televizorima starije generacije)

Sinhronizovanje kamere i lasera, koji generiše svetlosni impuls, da bi se dobilo isto vreme ekspozicije, zahteva aparaturu sastavljenu od sofisticirane optičke opreme i vrlo fine mehaničke kontrole. Svetlosti je dovoljna samo nano sekunda (10-9s) da prođe kroz flašu, ali je zato potrebno oko sat vremena da se prikupe svi neophodni podaci koji čine konačni snimak. Zbog toga, Raskar ceo sistem zove „Najsporija najbrža kamera na svetu“.

Svetlost u pokretu: Kombinovanjem savremene optičke opreme i tehnike rekonstrukcije dobijamo prikaz prostiranja svetlosti, putem periodičnog uzorkovanja.

Matematički proračun

Posle jednog sata, istraživači imaju na hiljade setova podataka, gde svaki od njih sadrži jednodimenzionalni podatak o poziciji fotona nasuprot njegovom vremenu dolaska. Raskar, Velten i ostali u timu su razvili algoritam koji dobijene setova podataka (sirovi rezultati) pretvara  u dvodimenzionalne slike.

Sama kamera i laserski generator svetlosnih impulsa (oba uređaja spadaju u domen vrhunske tehnologije) imaju zajedničku vrednost od 250000 (25×104) američkih dolara. Njih je obezbedio Bavendi, pionir u istraživanju kvantnih tačaka: sitne poluprovodničke čestice koje emituju svetlost, a imaju veliki potencijal u realizaciji kvantnih kompjutera, video tehnologiji, proizvodnji solarnih ćelija i u mnoštvu drugih naučnih i tehnoloških oblasti.

Ovo je samo početak.

Kamera sa trilion slika u sekundi, koja je predstavljena na dva naučna skupa (Optical Society’s Computational Optical Sensing and Imaging i Siggraph) je samo najava za novi projekat koji sprovodi Camera Culture grupa. Sledeći u nizu poduhvata ove grupe je kamera koja vidi iza ugla. Ova kamera koristi odbijanje svetlosti da bi stvorila sliku. Primer bi bio, da se snima svetlosni odraz zida koji se nalazi nasuprot vratima. Metoda bi se oslanjala na merenju različitih vremena odbijanja fotona. Oba sistema snimanja koriste izuzetno kratke emisije lasera i streak kamere, ali ostala aparatura i algoritmi se moraju praviti za svaki poduhvat posebno.

Pošto je za snimanje izuzetno brzih događaja potrebno snimati više puta isti „kadar“, na ovaj način se ne može zabeležiti fenomen koji se ne može identično ponoviti. Praktična primena ovakvog sistema se onda svodi na situaciju kada je način odbija svetlosti, sam po sebi, korisna informacija. To bi značilo upotrebu ove metode prilikom ispitivanja fizičke strukture neorganskih i živih materijala (tkiva) – „kao ultra zvuk sa svetlošću“, pojednostavljuje Raskar.

Kao neko ko je dugo istraživač u domenu kamera, Raskar, takođe ističe potencijal u razvoju fleševa za kamere. „Konačni cilj (san) je, kako napraviti studijsko svetlo sa kompaktnim izvorom svetlosti? Kako ja mogu uzeti u ruke prenosivu kameru koja na sebi nosi maleni fleš, a da stvorim iluziju da prilikom snimka imam sve one pomoćne sprave kao što su kišobrani, odbijajuće table, fokusirana svetla itd?“ pita Raskar. „Sa našim ultra brzim snimanjem, mi možemo analizirati kako fotoni putuju kroz okolni prostor. Po sprovedenoj analizi možemo stvoriti novu fotografiju, stvarajući iluziju u kojoj su fotoni imali svoje izvorište negde drugde.“

Možemo videti progresivnu sintezu foto grafa. Kodiranjem (popisivanjem) boja u svim slikama i njihovim potonjim sumiranjem možemo stvoriti jedinstveni dugin talasni front.

Hm, manipulacija fotografije, kao da nemamo dovoljno alata za tako nešto.

„Ovo je vrlo interesantan rad. Vrlo sam impresioniran“, kaže Nils Ambramson (Nils Ambramson), profesor primenjene holografije pri Kraljevskom Švedskom institutu za tehnologiju. Tokom sedamdesetih godina prošlog veka, Abramson je uveo novu tehniku koju su nazvali light-in-flight holografija (svetlost u letu), koja je dovela do toga da je bilo moguće napraviti fotografije svetlosnih talasa pri učestanosti od 100 milijardi (1011) slika (frejmova) u sekundi.

Zaista, Velten kaže „Kako se foton odbija po sceni on gubi na svojoj koherenciji. Samo ne koherentni sistem detekcije, kao naš, može primetiti te fotone.“ A ti fotoni, Velten kaže, mogli bi dozvoliti istraživačima da „nauče više o osobinama materijala koje ispituju i šta se nalazi ispod njihove površine. Pošto vidimo te fotone, možemo, zahvaljujući njima, videti unutar objekata – na primer, za pregled tkiva, u medicinske svrhe ili u procesu identifikacije materijala.“

„Iznenađen sam da metod koji sam ja koristio, više nije popularan.“ Abramson dodaje. „Osećao sam se usamljeno. Vrlo mi je drago da je još neko uradio nešto slično. Verujem da postoji mnogo stvari koje se mogu otkriti kada sprovedete ovakvo istraživanje na samoj svetlosti.“

Elektronski paparazo – sistem koji će fotografisati elektrone tokom akta interakcije sa drugim česticama

U radu publikovanom u jednom od skorašnjih izdanja Nature of Photonics,  internacionalni tim (što je za svaku pohvalu) istraživača je objavio da su napravili značajan iskorak napred u proučavanju fizike elektrona. Sa ovim radom, deluje, da je naučna javnost za korak bliža vrlo zanimljivoj mogućnosti da se naprave efektivni video snimci pojedinačnih elektrona. Nivo mogućnosti koje se naziru je jednak onom kada jednom sa običnog vida ili sočiva pređete na optički mikroskop. Neki bi, jednostavno, rekli: progledao sam…

Šematski prikaz novog dizajna lasera koji će emitovati ultra kratke pulseve svetlosti. Svetlosni talasi različitih frekvencija (crveni i zeleni) su kombinuju u novi talas (žuti), koji prolazi kroz gas (plave tačkice). Svetlost pobuđuje atome gasa, koji, onda ispuštaju višak energije kao svetlost koja poseduje još veću frekvenciju.

Ako se ispostavi da je pristup dobar, to će praktično značiti da će naučnici biti u stanju da istražuju elektrone i njihove interakcije sa, do sada, neverovatnim nivoom detalja. To znači, sa aspekta hemije, da će jedan hemičar moći da posmatra reakciju pojedinačnih molekula. Slično važi za sve grane nauke i tehnologije koje se baziraju na saznanjima koja im pruža hemija.

Grupa istraživača je dosta velika i, samo, 8 njih je sa univerziteta MIT, iz elektronske istraživačke laboratorije ili Research Laboratory of Electronics (RLE). Tehnika koja bi omogućila ovako detaljan pogled u svet elektrona i molekula se bazira na korišćenju lasera. Osnovni koncept podrazumeva da se može proizvesti laserski snop koji bi trajao 1 atosekundu (attosecond), što predstavlja 1 milijarditi deo milijarditog dela sekunde, ili ako vam je teže da zamislite, evo i drugog zapisa: 10-18s. Tu već dolazimo do malog problema: najkraće izmereno vreme je „samo“ 100 atosekundi. Vratimo se laserima i da vidimo zašto je atosekunda toliko važna. Na primer, elektron u vodoniku (H2) obavi jednu revoluciju oko jezgra (jedna krug) za nekih 151 atosekundi. Da bi smo ga uhvatili kako „opšti“ nije nam dovoljan vremenski interval od 100 atosekundi, mora biti barem jedan red veličina manji, ako ne i dva. I taman toliko je atosekunda manja, za dva reda veličina. Kroz brojeve bi to bilo:

Za 151 atosekundu elektron obrne ceo krug ili 360°.

To znači da je potrebno za pola kruga oko 75 atosekundi.

Elektronu je, onda, potrebno 360 : 151 = 2.384 atosekundi da prebriše ugao od jednog stepena.

Dakle, puls od  jedne atosekunde je više nego dobrodošao.

„Ako možete stvoriti puls koji ima kraće trajanje, onda možete da ispitate dinamiku koja se odvija na toj skali“, kaže Franz Kartner (Franz Kaertner), profesor sa odeljenja za elektronski inženjering i kompjuterske nauke, koji je, inače, vodio celo istraživanje. „Ovo nas povezuje sa radom Harolda Edgertona (Harold Edgerton)“, u kome je on bio sposoban da napravi, sa optičkom fotografijom, snimke čije je trajanje bilo mereno u mikro i nano sekundama.“

Da, atosekundni pulsevi lasera su bili mogući i ranije, ali nisu imali dovoljnu jačinu, koja je potrebna za tzv vremensku spektroskopiju, tehnika koja se, tipično, koristi za merenje dinamike elektrona. Novi pristup stvaranju ovih laserskih pulseva, ne samo da će omogućiti veću snagu, nego i jednostavniju aparaturu, što je čini još praktičnijom nego ranije. Deluje kao kombinacija u kojoj svi dobijaju…

Mnogostrukost

Da bi se dobio izuzetno kratki puls svetlosti, neophodno je kombinovati svetlosne talase različitih frekvencija. Talas se može prikazati kao izvijena linija koja u pravilnim razmacima dostiže stalno istu tačku, gde je frekvencija, u stvari, „rastojanje“ između tih dvaju izbočina. Kada kombinujemo dva talasa, on se pojačava tamo gde se ove „izbočine poklapaju“, ali ako nema tog poklapanja dolazi do suprotnog efekta – međusobno se poništavaju. Sa pravom kombinatorikom moguće je napraviti novi talas sa radikalno drugačijom oblikom.

Crni talas je rezultat sabiranja plavog poketnog talasa i žućkastog neporetnog talsa

Drugi naučnici su pokušali da naprave kratke pulseve svetlosti kombinujući laserske zrake, ali su koristili za svaki zrak po jedan laser. Takav pristup u mnogome otežava proces sinhronizacije zrakova, u pokušaju da se njihove amplitude poklope na željeni način. Istraživači iz RLE odseka i njihove kolege sa univerziteta u Sidneju, politehničkog univerziteta u Milanu i hamburškog univerziteta su, umesto toga, provukli jedan laserski zrak kroz kristal koji ga deli na zrake sa različitim frekvencijama. Pošto su zraci iz istog izvora, oni ostaju i dalje savršeno sinhronizovani.

Sve kraće i kraće

Opisana tehnika, daje vrlo kratke laserske pulseve svetla, ali i dalje nisu na nivou atosekunde. Sledeći korak je propustiti dobijene pulseve kroz gas.  Kada čestice laserskog snopa – fotoni – udare u atome gasa, oni bivaju apsorbovani (uobičajena interakcija atoma i fotona), ali se odmah posle apsorpcije desi i proces ponovnog emitovanja novog fotona. Ovi poslednji, ponovo emitovani, fotoni mogu imati frekvencije koje mogu biti mnogo puta veće od onog fotona koji je udario u atom. Veće frekvencije znače još kraće pulseve svetlosti.

Međutim, RLE istraživači još nisu sproveli poslednji korak. Za sada, oni provlače laserski zrak kroz dva pojačavača da bi mu povećali energiju, ali i dalje ima potrebe za dodatnom energijom da bi izazvao dovoljno visoko frekventne fotone iz interakcije sa gasom. Dodavanje još jednog pojačavača bi trebalo da reši energetski problem, ali to, trenutno, uspostavlja dodatne tehničke i inženjerske probleme koji se moraju rešiti.

Jan Valmsli (Ian Walmsley), profesor fizike sa Oksfordskog univerziteta i vođa univerzitetske grupe koja se bavim kvantnom optikom (Ultrafast Quantum Optics Group), kaže da je modularnost pristupa ove grupe istraživača najveća prednost. „Pametan dizajn koji primenjuju Franz i njegove kolege koristi mogućnost da sve komponente rade u sinhronom režimu.“, tvrdi Valmsli. „Ovaj novi pristup, mislim da je vrlo važan jer, u principu, omogućava generisanje mnogo većih energija u tim kratkim pulsevima.“

Valsmli, doduše, sumnja da taj poslednji gasni korak u proizvodnji dovoljno kratkih pulseva svetlosti „neće biti jednostavan.“ Ali, odmah dodaje: „Postoje aspekti ovog pristupa problemu koji obećavaju. Može se pokazati kao izazov za sebe postići sve kraće i kraće impulse, ali mislim, da je moguće izvesti.“

Ok, i čemu sve to?

Recimo, na primer, da ne znamo mnogo o molekulima, atomima i elektronima. Krenimo samo od toga da se elektroni vrte oko jezgra. Zamislimo sada da je to isto kada bismo uzeli neki satelit i postavili ga da se okreće oko planete Zemlje. Ono što je problem naučnicima, još uvek, je činjenica da oni ne mogu da vide elektron kako se tačno kreće, jer je mnogo brz. Ako se vratimo na primer sa Zemljom to bi, sa bilo koje distance, izgledalo kao da naša planeta ima prsten poput onih koji se nalaze oko Saturna, jer se taj virtuelni satelit užasno brzo kreće.

Sada, sa novim metodama, elektron više nije tako brz, tačnije, on se i dalje kreće istom brzinom, ali naša kamera je sada „brža“ od njega. Prva dobra stvar – elektron će još biti opipljiviji, kao materijalni objekat. Drugo, njegova putanja će biti, teoretski, oslikana direktno, korak po korak.

Doduše, ostaje pitanje, šta se dešava sa definicijom elektronskih orbitala koja se mogla dosta često čuti i tokom školovanja:

„Orbitale su najverovatnije putanje na kojima se nalaze elektroni…“

Ako priča o laserima znači da će u prethodnoj rečenici reč najverovatnije biti zamenjena sa sigurno, to je za naučni svet, najverovatnije 🙂, veliki korak u istraživanju sveta elementarnih čestica.

Kvantno vezane čestice, mikro talasima umesto laserima

Neke teme vrlo brzo dobijaju na zamahu. Jedna od njih spada u domen fizike, tačnije, kvantne fizike i već duže vreme naučna i šira javnost dobija nove podatke o povezivanju elementarnih čestica.

Na engleskom se ta pojava zove entanglement, i prevesti je direktno sa rečima smetnja, mreža i tome slično, bilo bi pogrešno. Ovo ističem, jer, čak ,ni moj prevod, od malo pre, nije najsrećnije rešenje, ali ja najbolje za koje znam.

Na našem sajtu već postoji tekst koji pominje povezivanje fotona (photon entanglement),  a ovom prilikom sledi novina, koja uvodi pojam povezivanja jona. Joni su slobodni atomi nekog elementa koji u svom elektronskom omotaču imaju manjak ili višak elektrona (najčešće jedan do tri elektrona), i iz električno neutralnog stanja prelaze u pozitivno ili negativno. Sem toga, treba istaći da su joni znatno veći od fotona i imaju značajnu masu – za razliku od fotona, za koje se kaže da nemaju masu. Barem ne uvek…

I dalje velika apratura, ali manja nego pre...

Tvrdi se da smo još mnogo vremena udaljeni od trenutka kada ćemo imati funkcionalne kvantne kompjutere veličine zgrade, a kamoli veličine sadašnjih kompjutera. To implicira da smo i dalje u procesu „minjaturizacije“, a deo tog se dešava unutar NIST instituta (National Institute of Standards and Technology).

Po prvi put, fizičari su povezali dva jona koristeći mikrotalase. Ovo je značajno, jer su se, do sada, u procesima povezivanja koristili laseri, koji krče put ka lakim i malim tehnološkim rešenjima, zbog svoje velike preciznosti.

Kvantni kompjuteri bi se služili posebnim osobinama kvantnog sveta da reše velike računske probleme – one, sa kojima današnji super kompjuteri ne mogu da izađu na kraj. Prvi korak u tome je da, prvo, ovladamo kvantnim česticama, pretvarajući ih u kvantne analogije klasičnih kompjuterskih bitova.

Ti osnovni blokovi memorije kvantnih kompjutera bi bili „qubits“. Mogućnost manipulacije jonima koristeći mikro talase i kvantno povezivanje, predstavlja veliku stvar.

Mikro talasi već pokazuju svoju korisnost omogućavajući bežičnu komunikaciju. Tehnologija koja omogućava njihovo generisanje i kontrolu je podrobno proučena, sveprisutna i, stoga, relativno jeftina. Doduše, i dalje je potreban ultra ljubičasti laser koji hladi i meri jone unutar procesa povezivanja mikro talasima. To je i dalje nisko energetski laser koji bi mogao lako da se svede na nivo onih lasera koji se nalaze u prenosivim muzičkim uređajima, kao što su CD u DVD čitač.

Ostatak neophodne tehnologije je, takođe malog gabarita. Cela „mašinerija“ je opisana u žurnalu Nature i tvrdi se da je velika oko 1/10 klasičnog „laserskog parka“ koje je neophodan da se stvori kontrolisano povezivanje čestica koristeći svetlost. Kako se razvoj na tehnologiji i dalje nastavlja, tim istraživača smatra da bi bili u stanju da postojeći mikro talasni uređaj svedu na veličinu današnjeg kompjutera, a možda jednog dana i na veličinu tableta. Mikro talasi, takođe, pokazuju još neke prednosti kvantnog pristupa kompjuterizaciji. Nestabilnost laserskog snopa generiše određene greške u procesu povezivanja čestica, a takvog problema nema sa mikro talasima.

Uvek postoji neko ali…

Na žalost, ovo ne znači da su laseri izgubili svoje mesto u budućoj tehnologiji koja će pokretati kvantne kompjutere. Tim iz instituta NIST je uspeo da sprovede povezivanje sa mikro talasima u „samo“ 76% pokušaja. Najbolje nameštene laserske aparature omaše u istom zadatku samo u 1% slučajeva.

Koncept povezivanja je relativno nezgodan da se razume, i ako ga je relativno lako objasniti. Umesto da se ja ponavljam, ostavljam vas u sposobnim rukama fizičarskog super deke, da vam objasni o česmu se tačno radi. Video je kratak, a dedica bi mogao da deluje malo manje jezivo… ali šta je – tu je. 🙂