Superlasers transformarão luz em matéria e criarão interior de estrelas em laboratório

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/11/2023

Ilustração da técnica para comprimir os pulsos de laser além do que é possível hoje.
[Imagem: University of Strathclyde]

Compressão da luz

Cientistas da Coreia do Sul e do Reino Unido idealizaram um novo método que permite gerar pulsos de laser mais de um milhão de vezes mais poderosos do que os existentes atualmente.

A ideia é simples: Usar o gradiente na densidade de um plasma, que é matéria totalmente ionizada, para fazer com que os fótons se agrupem, de forma análoga ao que acontece quando um grupo esparso de carros na estrada se amontoa ao chegar a uma colina íngreme.

Para implementar essa ideia será necessário construir um tipo especial de espelho, um espelho que não apenas reflita os pulsos de luz, mas também os comprima no tempo por um fator de mais de duzentas vezes - e as simulações teóricas dizem que é possível ir além disso, obtendo compressões adicionais.

Isto promete revolucionar muita coisa, incluindo abrir a possibilidade de extrair partículas virtuais do vácuo quântico e estudar a natureza da matéria.

"A expectativa é que os resultados desta pesquisa sejam aplicáveis em vários campos, incluindo a física teórica avançada e a astrofísica. Ela também poderá ser usada na pesquisa de fusão [nuclear] a laser para ajudar a resolver os problemas energéticos que a humanidade enfrenta. Nossas equipes combinadas da Coreia e do Reino Unido planejam testar experimentalmente essas ideias no laboratório," disse o professor Min Sip Hur, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (UNIST), na Coreia do Sul.

A técnica comprime os pulsos no tempo, assim como uma lente comprime a luz no espaço.
[Imagem: Min Sup Hur et al. - 10.1038/s41566-023-01321-x]

Rumo aos zetawatts

Assim como uma lente comprime um feixe de luz no espaço, concentrando toda a energia da luz em um ponto focal único, é possível também comprimir a luz no tempo, o que é feito emitindo a luz em pulsos e então comprimindo os pulsos, o que faz com que cada um atinja o alvo com uma potência instantânea muito maior do que seria possível se o pulso tivesse sua duração típica.

Esses lasers de alta potência produzem pulsos de luz com durações muito curtas, geralmente na faixa dos femtossegundos (um femtossegundo equivale a 10^-15 segundo), o que é obtido usando uma técnica chamada CPA (chirped-pulse amplification - amplificação de pulso com chilreio ou trinado), que organiza as cores da luz no tempo. A CPA envolve comprimir os pulsos de luz, o que concentra a energia do pulso do laser em um curto período de tempo, aumentando assim sua potência de pico em muitas ordens de grandeza.

Os lasers de maior potência do mundo têm hoje uma potência de pico de cerca de 10 petawatts (10 × 10¹⁵ W). Para colocar isto em perspectiva, a luz solar que atinge a atmosfera superior da Terra atinge 173 petawatts, e cerca de um terço disso atinge a superfície do planeta.

Um petawatt equivale a 10¹⁵ W, unidade seguida por um exawatt, que equivale a 10¹⁸ W, e um zettawatt, que equivale a 10²¹ W - para contextualizar, o Sol produz 4 x 10²⁶ W de potência ou 400.000 zetawatts.

Outra abordagem para interagir com as flutuações do vácuo quântico inclui um chip que permite que comunicar-se com o "nada".
[Imagem: Kazuyuki Kuroyama et al. - 10.1021/acs.nanolett.3c02272]

Criando matéria e estudando as estrelas

Além de servirem para uma das técnicas mais promissoras para a fusão nuclear, chamada fusão por confinamento inercial, lasers superpotentes poderão ampliar nossa compreensão da matéria porque a matéria sofre várias transformações à medida que a intensidade da energia aumenta.

Por exemplo, o ar é ionizado e vira um plasma - o quarto estado da matéria - em intensidades na faixa 10¹⁰ - 10¹² W/cm² para comprimentos de onda de luz visível. E, quando os elétrons são submetidos a lasers com intensidades acima de 10¹⁸ W/cm², eles se aproximam da velocidade da luz, e isso leva ao reino da óptica relativística.

Em intensidades de 10²⁴ W/cm² e acima, são os prótons que se aproximam da velocidade da luz e as partículas que sofrem intensos campos de laser reagem aos seus próprios campos de radiação - esta é a atual fronteira de intensidade na física.

E tudo indica que, em intensidades acima de 10²⁹ W/cm², conhecida como limite de Schwinger, é possível produzir partículas reais diretamente do vácuo quântico, onde partículas virtuais surgem e desaparecem o tempo todo - em outras palavras, luz de intensidade suficiente pode ser transformada diretamente em matéria. A estimativa é que tornar isso realidade exija lasers nas classes de exawatt a zettawatt.

Este é um dos principais objetivos na agenda dos cientistas porque compreender a natureza da matéria e do vácuo em intensidades acima de 10²⁴ W/cm² permitirá estudar fenômenos astrofísicos em laboratório, proporcionando vislumbres únicos do interior das estrelas e da origem do Universo.

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