ZEUS: Laser “Thần Sấm” đạt công suất 2 petawatt, mở ra kỷ nguyên khám phá vũ trụ và y học

Một tia laser mang tên vị thần quyền năng nhất trong thần thoại Hy Lạp đang thực sự xứng đáng với danh xưng đó. Theo Đại học Michigan, thử nghiệm chính thức đầu tiên từ Hệ thống Laser xung cực ngắn tương đương Zettawatt (ZEUS) đã tạo ra công suất 2 petawatt (2 triệu tỷ watt).

Để dễ hình dung, con số này lớn hơn 100 lần tổng lượng điện sản xuất trên toàn cầu – nhưng bạn có thể sẽ bỏ lỡ nó nếu chỉ chớp mắt.

ZEUS: Bước tiến khổng lồ trong công nghệ laser

ZEUS, với kích thước bằng một phòng tập thể dục của trường học, là người kế nhiệm của hệ thống HERCULES trước đây của trường đại học, vốn chỉ đạt tối đa 300 terawatt. Trong lần thử nghiệm ra mắt, ZEUS đã sử dụng một mục tiêu được cấu hình lại, yêu cầu bắn một xung laser vào một tế bào chứa khí heli. Tương tác sau đó đã tạo ra plasma khi nó xé electron khỏi các nguyên tử heli, tạo thành hỗn hợp cả ion dương và electron tự do. Các electron bắt đầu tăng tốc phía sau xung laser trong một hiện tượng được gọi là tăng tốc theo vùng wakefield. Vì ánh sáng di chuyển chậm hơn trong plasma, các electron có thể bắt kịp chùm laser. Những electron tự do đó cũng có nhiều thời gian hơn để tăng tốc do kích thước của buồng mục tiêu và do đó đạt được tốc độ cao hơn.

Cuộc trình diễn gần đây là khúc dạo đầu cho thử nghiệm ZEUS chính thức dự kiến diễn ra vào cuối năm nay. Trong thử nghiệm đó, các electron tăng tốc cũng sẽ va chạm với các xung laser đến từ hướng ngược lại. Đây là lúc mọi thứ trở nên (thậm chí) phức tạp hơn – nhưng tóm gọn lại, hiệu ứng này khiến một tia laser 3 petawatt có vẻ mạnh hơn một triệu lần, do đó có cái tên “tương đương zettawatt” trong tên của ZEUS.

An toàn tuyệt đối và chi phí hiệu quả

Để thực hiện được những kỳ tích thực nghiệm này, ZEUS cần có các biện pháp bảo vệ nhất định. Hệ thống bao gồm các thiết bị quang học được gọi là cách tử nhiễu xạ, giúp kéo dài xung hồng ngoại ban đầu theo thời gian. Điều này đảm bảo công suất ban đầu không trở nên quá mạnh đến mức bắt đầu xé toạc không khí xung quanh.

Một mục tiêu khác là cuối cùng tạo ra các chùm electron có năng lượng tương tự như những gì tìm thấy trong các máy gia tốc hạt dài hàng trăm mét so với ZEUS, nhưng với kích thước và chi phí vận hành chỉ bằng một phần nhỏ. Với chi phí xây dựng chỉ 16 triệu USD, Đại học Michigan trước đây đã mô tả cỗ máy này là một “món hời”.

Tiềm năng ứng dụng rộng lớn, “đưa khoa học laser trở lại Mỹ”

Nhiều năm xây dựng, hiệu chuẩn và chuyên môn được thể hiện trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn. Lần bắn 2 petawatt của ZEUS chỉ kéo dài 25 phần nghìn tỷ tỷ giây. Nhưng các thí nghiệm trong tương lai sẽ tận dụng tối đa những khoảnh khắc này.

“Nghiên cứu cơ bản được thực hiện tại cơ sở NSF ZEUS có nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm các phương pháp hình ảnh tốt hơn cho các mô mềm và thúc đẩy công nghệ được sử dụng để điều trị ung thư và các bệnh khác,” Vyacheslav Lukin, giám đốc chương trình tại Bộ phận Vật lý của Quỹ Khoa học Quốc gia, đơn vị chịu trách nhiệm dự án ZEUS, giải thích.

Trong khi đó, các thí nghiệm của ZEUS cũng có thể giúp các nhà nghiên cứu khám phá động lực học của các tia positron bắn ra từ lỗ đen, hoặc cách các vụ nổ tia gamma hoạt động.

“Một trong những điều tuyệt vời về ZEUS là nó không chỉ là một chiếc búa laser lớn, mà bạn có thể chia ánh sáng thành nhiều chùm tia,” Franklin Dollar, giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học California, người đã giám sát thử nghiệm 2 petawatt, cho biết. “Việc có một nguồn tài nguyên quốc gia như thế này, dành thời gian cho những người dùng có ý tưởng thử nghiệm hứa hẹn nhất cho việc thúc đẩy các ưu tiên khoa học, thực sự đang đưa khoa học laser cường độ cao trở lại Mỹ.”