Os pesquisadores demonstraram uma intensidade de pulso de laser recorde de mais de 10 ²³ W / cm ² usando o laser petawatt no Center for Relativistic Laser Science (CoReLS), Instituto de Ciências Básicas da República da Coréia. Demorou mais de uma década para atingir essa intensidade de laser, que é dez vezes maior que o relatado por uma equipe da Universidade de Michigan em 2004. Esses pulsos de luz de intensidade ultra-alta permitirão a exploração de interações complexas entre a luz e a matéria de maneiras que não eram possíveis antes.

O poderoso laser pode ser usado para examinar fenômenos que se acredita serem responsáveis ​​por raios cósmicos de alta potência, que têm energias de mais de um quatrilhão (10 ¹⁵ ) elétronvolts (eV). Embora os cientistas saibam que esses raios se originam de algum lugar fora do nosso sistema solar, como são feitos e o que os está formando é um mistério antigo.

"Este laser de alta intensidade nos permitirá examinar fenômenos astrofísicos como o espalhamento elétron-fóton e fóton-fóton em laboratório, "disse Chang Hee Nam, diretor do CoReLS e professor do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju. "Podemos usá-lo para testar experimentalmente e acessar ideias teóricas, alguns dos quais foram propostos pela primeira vez há quase um século. "

No Optica , os pesquisadores relatam os resultados de anos de trabalho para aumentar a intensidade dos pulsos do laser CoReLS. O estudo das interações de matéria do laser requer um feixe de laser fortemente focado e os pesquisadores foram capazes de focar os pulsos de laser em um ponto de pouco mais de um mícron, menos de um quinquagésimo do diâmetro de um cabelo humano. O novo recorde de intensidade do laser é comparável a focar toda a luz do sol que atinge a Terra em um ponto de 10 mícrons.

"Este laser de alta intensidade nos permitirá enfrentar a ciência nova e desafiadora, eletrodinâmica quântica de campo especialmente forte, que tem sido tratado principalmente por teóricos, "disse Nam." Além de nos ajudar a entender melhor os fenômenos astrofísicos, também pode fornecer as informações necessárias para desenvolver novas fontes para um tipo de tratamento de radiação que usa prótons de alta energia para tratar o câncer. "

Tornando os pulsos mais intensos

A nova conquista estende o trabalho anterior em que os pesquisadores demonstraram um sistema de laser de femtossegundo, baseado em Ti:Sapphire, que produz pulsos de 4 petawatt (PW) com durações de menos de 20 femtossegundos enquanto focado em um ponto de 1 micrômetro. Este laser, que foi relatado em 2017, produziu uma potência de aproximadamente 1, 000 vezes maior do que toda a energia elétrica da Terra em um pulso de laser que dura apenas vinte quatrilionésimos de segundo.

Para produzir pulsos de laser de alta intensidade no alvo, os pulsos ópticos gerados devem ser focados com extrema precisão. Neste novo trabalho, os pesquisadores aplicam um sistema de óptica adaptativa para compensar precisamente as distorções ópticas. Este sistema envolve espelhos deformáveis ​​- que têm uma forma de superfície reflexiva controlável - para corrigir distorções no laser com precisão e gerar um feixe com uma frente de onda muito bem controlada. Eles então usaram um grande espelho parabólico fora do eixo para obter um foco extremamente preciso. Este processo requer um manuseio delicado do sistema óptico de focalização.

"Nossos anos de experiência adquirida durante o desenvolvimento de lasers de potência ultra-alta nos permitiram realizar a tarefa formidável de focalizar o laser PW com o tamanho do feixe de 28 cm em um ponto de micrômetro para atingir uma intensidade de laser superior a 10 ²³ W / cm ² , "disse Nam.

Estudando processos de alta energia

Os pesquisadores estão usando esses pulsos de alta intensidade para produzir elétrons com energia superior a 1 GeV (10 ⁹ eV) e para trabalhar no regime não linear em que um elétron colide com várias centenas de fótons de laser de uma vez. Este processo é um tipo de eletrodinâmica quântica de campo forte chamado espalhamento Compton não linear, que parece contribuir para a geração de raios cósmicos extremamente energéticos.

Eles também usarão a pressão de radiação criada pelo laser de intensidade ultra-alta para acelerar os prótons. Entender como esse processo ocorre pode ajudar a desenvolver uma nova fonte de prótons baseada em laser para tratamentos de câncer. As fontes usadas nos tratamentos de radiação atuais são geradas por meio de um acelerador que requer um enorme escudo de radiação. Espera-se que uma fonte de prótons movida a laser reduza o custo do sistema, tornando a máquina de oncologia de prótons menos dispendiosa e, portanto, mais amplamente acessível aos pacientes.

Os pesquisadores continuam a desenvolver novas idéias para aumentar ainda mais a intensidade do laser, sem aumentar significativamente o tamanho do sistema de laser. Uma maneira de fazer isso seria descobrir uma nova maneira de reduzir a duração do pulso de laser. Como lasers com picos de potência variando de 1 a 10 PW estão agora em operação e várias instalações chegando a 100 PW estão sendo planejadas, não há dúvida de que a física de alta intensidade progredirá tremendamente no futuro próximo.