Cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia atualizaram recentemente um poderoso sistema de laser óptico usado para criar ondas de choque que geram condições de alta pressão, como as encontradas no interior dos planetas. O sistema de laser agora fornece três vezes mais energia para experimentos com o laser ultrabright de raios-X do SLAC, fornecendo uma ferramenta mais poderosa para sondar estados extremos da matéria em nosso universo.

Juntos, os lasers ópticos e de raios-X formam o instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) na Linac Coherent Light Source (LCLS). O sistema de laser óptico de alta potência cria condições extremas de temperatura e pressão nos materiais, e o feixe de laser de raios X captura a resposta do material.

Com esta tecnologia, pesquisadores já examinaram como o meteoro impacta os minerais de choque na crosta terrestre e simulou as condições no interior de Júpiter, transformando a folha de alumínio em um aquecedor, plasma denso.

Maior intensidade e formas de pulso mais controladas

A equipe de instrumentos do MEC recebeu financiamento do Office of Fusion Energy Sciences (FES) dentro do DOE's Office of Science para dobrar a quantidade de energia que o feixe óptico pode fornecer em 10 nanossegundos, de 20 a 40 joules.

Mas eles foram ainda mais longe.

"A equipe superou nossas expectativas, uma conquista empolgante para o programa DOE High Energy Density e futuros usuários de instrumentos MEC, "diz Kramer Akli, gerente de programa do Laboratório de Plasma de Alta Densidade de Energia da FES.

A equipe triplicou a quantidade de energia que o laser pode fornecer em 10 nanossegundos a um ponto em um alvo não maior do que a largura de alguns fios de cabelo humanos. Quando focado nessa pequena área, o laser oferece aos usuários intensidades de até 75 terawatts por centímetro quadrado.

"Em outros termos, o laser atualizado tem a mesma potência de 17 Teslas descarregando suas baterias de 100 quilowatts-hora em um segundo, "diz Eric Galtier, um cientista de instrumentos do MEC.

Uma parte da atualização de energia pode ser atribuída ao novo laser óptico, diodo caseiro bombeado front-end, projetado com a ajuda de Marc Welch, um engenheiro de laser da MEC. Os cientistas também construíram e automatizaram um sistema para moldar os pulsos de laser com precisão extraordinária, permitindo aos usuários flexibilidade e controle substancialmente maiores sobre as formas de pulso usadas em seus experimentos.

Um laser mais poderoso e confiável significa que os pesquisadores podem estudar regimes de pressão mais alta e alcançar condições relevantes para os estudos de energia de fusão.

Simulando o núcleo dos planetas

A atualização do MEC é promissora para muitos pesquisadores, incluindo Shaughnessy Brennan Brown, um aluno de doutorado em Engenharia Mecânica, cuja pesquisa se concentra na ciência de alta densidade de energia, que abrange química, Ciência de materiais, e física. Brennan Brown usa a gaiola experimental MEC para conduzir ondas de choque através do silício e gerar condições de alta pressão que ocorrem no interior da Terra.

"A atualização do MEC no LCLS permite que pesquisadores como eu gerem empolgantes, regimes anteriormente inexplorados de matéria exótica - como os encontrados em Marte, nosso próximo degrau planetário - com confiabilidade e repetibilidade cruciais, "Brennan Brown diz.

A pesquisa de Brennan Brown examina os processos pelos quais o silício no núcleo da Terra se reorganiza atomicamente sob condições de alta temperatura e pressão. As propriedades termodinâmicas desses estados de alta pressão afetam nosso campo magnético, que nos protege do vento solar e nos permite sobreviver na Terra. A atualização do laser permitirá que Brennan Brown alcance condições de pressão e temperatura mais altas dentro de suas amostras, uma meta de longa data.

Intensidade mais precisão

O laser óptico amplifica um feixe de baixa potência em estágios e atinge energias cada vez mais altas. Contudo, a qualidade do feixe de laser e a capacidade de controlá-lo diminuem durante a amplificação. Um pulso de baixa qualidade pode começar e terminar com uma forma significativamente diferente, o que não é útil para pesquisadores que tentam recriar condições específicas.

"O pulso de baixa energia inicial deve ter um modo espacial primitivo e a forma temporal devidamente configurada - isto é, uma escultura precisa da potência do pulso em função do tempo - antes da amplificação para produzir as características do pulso de laser necessárias para permitir o experimento de cada usuário, "diz Michael Greenberg, o gerente da área de laser da MEC.

Cada alvo é único e requer uma energia específica e forma de pulso, fazer testes manuais e ajustes demorados. Antes da atualização, a equipe otimizou o formato do pulso manualmente, levando de algumas horas a alguns dias para calibrá-lo corretamente.

Para resolver este problema, Eric Cunningham, um cientista de laser no MEC, desenvolveu um sistema de controle automatizado para moldar o feixe de baixa potência antes da amplificação.

"O novo sistema permite a adaptação precisa da forma do pulso usando um sistema de loop de feedback computadorizado que analisa os pulsos e recalibra automaticamente o laser, "Cunningham disse. O novo otimizador é um sistema promissor para gerar muitos pulsos de alta qualidade da maneira mais precisa e oportuna possível.

Além das formas de pulso aprimoradas, o sistema atualizado deposita energia em amostras de forma mais consistente de tiro a tiro, o que permite aos pesquisadores reproduzir muito de perto estados extremos da matéria em suas amostras. Como resultado, tanto a qualidade dos dados quanto a eficiência operacional são aprimoradas.

Brennan Brown diz que são as pessoas e a tecnologia que tornam o instrumento tão bem-sucedido:"A capacidade e competência dos cientistas e engenheiros de laser na estação experimental do MEC oferecem aos pesquisadores os recursos tecnológicos de que precisam para explorar questões não respondidas do universo e trazer suas teorias para vida."