Ekstremalios šviesos infrastruktūra – naujas Europos lazerių CERN‘as
Jau 2018 m. Europoje pradėjo veikti unikali ekstremalios šviesos infrastruktūra (angl. Extreme Light Infrastructure, ELI), kainavusi 850 mln. eurų. Ją kuria 40 mokslo ir verslo institucijų, tarp kurių ir Lietuvos lazerinė įmonės bei universitetai.
Itin galingi lazeriai per penkerius metus buvo sumontuoti trijose Rytų Europos valstybėse: Čekijoje, Vengrijoje ir Rumunijoje. Galingiausių pasaulyje lazerių centrai planuojama, taps vieta tarpdalykiniams tyrimams naudojant lazerių spinduliuotę ir jos generuojamą antrinę radiaciją.
Kaip kilo lazerinės megainfrastruktūros sukūrimo idėja?
2021 m. pradėjo veikti kita Europos mokslinė megainfrastruktūra ELI-ERIC (Extreme Light Infrastructure – European Research Infrastructure Consortium). ELI projekto idėja kilo Europos mokslininkams, dirbusiems lazerių fizikos srityje ir siekusiems konsoliduoti nuo 2004 m. veikusį didelių nacionalinių lazerių infrastruktūrų tinklą LASERLAB EUROPE. 2005 m., plėtodamas šią idėją profesorius Gérard Mourou (2018 m. kartu su Donna Strickland apdovanotas Nobelio fizikos premija), pirmąkart pasiūlė tuo metu iš pirmo žvilgsnio fantastiškai atrodžiusį planą kurti lazerius, generuojančius 10 ar net 100 petawatų (PW) galios šviesos pluoštus (petawatas atitinka 1015 vatų (W) arba milijardą megavatų (MW)). Per kelis metus šis planas buvo patvirtintas ir 2008 m. prasidėjo parengiamoji 3 metų trukmės ELI fazė, kurios metu, vadovaujant prof. G. Mourou, daugiau nei 100 mokslininkų iš 13 šalių parengė taip vadinamą Baltąją ELI knygą, kurioje buvo išanalizuotos mokslinės-techninės problemos, susijusios su petavatinių lazerių kūrimu, veikimu ir potencialiais jų taikymais. Tuo pat metu buvo sprendžiamos ir biurokratinės problemos (įkurtas ELI konsorciumas bei patvirtintos šalys, kuriose bus galingiausi pasaulio lazeriai). Taip 2011-2019 metais lygiagrečiai Vengrijoje, Čekijoje ir Rumunijoje buvo pastatyti trys lazerinių tyrimų centrai.
Visi trys lazeriai galingi, bet tyrimų kryptys skirtingos
Nors šiuose trijuose lazerinių tyrimų centruose buvo instaliuoti didelės galios lazeriai ir jų parametrai, numatomos tyrimų kryptys yra skirtingos. Čekijoje Dolní Břežany vietovėje netoli Prahos jau sukurta infrastruktūra ELI Beamlines specializuojasi galingų impulsinių antrinių radiacijos ir dalelių šaltinių vystyme bei jų taikymuose tarpdiscipliniuose molekulių, biomedicininių ir medžiagų moksluose, plazmos fizikoje ir net laboratorinėje astrofizikoje. Be to, šiame mokslo centre turimi didelės galios ir didelio pasikartojimo dažnio lazeriai bus naudojami netiesinių kvantinės elektrodinamikos reiškinių tyrimui. Be šių fundamentinių mokslinių tyrimų, ELI Beamlines lazeriai jau naudojami ir praktinėms elektronikos bei medžiagų inžinerijos problemoms spręsti. Pavyzdžiui, naudojant lazeriu pagreitintus protonus, labai tiksliai nustatoma įvairių medžiagų elementinė sudėtis (nuo natrio iki urano). Tai ypač svarbu, tiriant senų meno kūrinių autentiškumą ir aplinkos užterštumą. Be to, tokių protonų pluoštu kartu su trumpais lazerio impulsais apšvitinus bandinius, galima labai tiksliai kontroliuoti ir valdyti jų temperatūrą ir slėgį, kas leidžia gaminti tokius įvairių medžiagų nanokristalus, kurių kitais būdais pagaminti neįmanoma.
1 pav. Vienas iš petavatinių ELI-Beamlines lazerių L3-HAPLS (High repetition rate Advanced Petawatt Laser System – Didelio pasikartojimo dažnio pažangi petavatinė lazerinė sistema). ELI-ERIC nuotr.
Tuo tarpu Vengrijoje Šegede (Szeged) esantis ELI Atosekundinių šviesos impulsų šaltinis (ALPS, angl. Attosecond Light Pulse Source) specializuojasi itin sparčių reiškinių dinamikos tyrimuose, registruojant momentines atosekundžių (10-18s trukmės, t.y. vienos milijardinės milijardinės sekundės dalies) elektronų būsenų „nuotraukas“ atomuose, molekulėse, plazmoje ir kietuosiuose kūnuose. Tai, kad toje pačioje infrastruktūroje kartu su minėtais antriniais impulsų šaltiniais yra ir naujausi supergalingi lazeriai, atveria unikalias nereliatyvistinių ir net reliatyvistinių šviesos ir visų keturių materijos būsenų sąveikų tyrimų su beprecentine atosekundine laikine skyra galimybes. Be abejo, ELI ALPS esanti aparatūra bus naudojama ir praktinėms problemoms spręsti, įskaitant saulės elementų tobulinimą, radiobiologinius, dirbtinės fotosintezės bei didelės galios fotoninių sistemų tyrimus.
2 pav. Teravatinis ELI-ALPS lazeris SYLOS (Single Cycle Femtosecond high intensity laser system – Vieno ciklo femtosekundinė didelio intensyvumo lazerinė sistema), veikiantis pagal lietuvių sukurtą parametrinio šviesos stiprinimo technologiją ir pagamintas lietuviškų įmonių „EKSPLA“ ir „Light Conversion“ konsorciumo. ELI-ERIC nuotr.
Kol kas dar testuojamas Branduolio fizikos (angl. Nuclear physics, NP) centras Rumunijoje (Magurele) specializuosis su lazeriais susijusios branduolio fizikos tyrimuose. Ši sistema bus naudojama šiuolaikinės fundamentinės ir branduolio fizikos bei astrofizikos eksperimentams, o taip pat ir atominėje energetikoje naudojamų medžiagų bei radioaktyvių atliekų tvarkymui.
3 pav. Bendras ELI NP centro vaizdas. ELI-ERIC nuotr.
Bendras šių trijų ELI ERIC centrų plotas yra beveik 93 tūkstančių kvadratinių metrų, o juose dirba daugiau kaip 780 mokslininkų, technikų, inžinierių ir pagalbinių bei administracijos darbuotojų, keli ir iš Lietuvos.
Ultragalingų lazerių veikimo principai
Šie trys naujai sukurti lazerinės infrastruktūros centrai suteiks (ir jau teikia) galimybę mokslininkams bei inžinieriams iš viso pasaulio naudotis lazerinėmis sistemomis, generuojančiomis galingus ir itin trumpus impulsus. Šiuo metu pasaulyje nėra analogų tokių parametrų sistemoms, įskaitant lazerio impulsų galią, kuri, kaip jau minėta, greitai sieks 10 PW, o tai yra galia, lygi maždaug 10 % Saulės galios krintančios į Žemę arba tūkstantį kartų daugiau, nei visų pasaulio elektrinių generuojama galia. Tokios didelės galios pasiekiamos santykinai ne itin didelę lazerio impulsų energiją sukoncentruojant į itin trumpus femtosekundinės (10-15 s) ar net atosekundinės trukmės šviesos impulsus.
Tai nėra paprastas uždavinys, nes įprastais metodais didinant tokių trumpų impulsų galią, kai impulsai tiesiog sklinda juos stiprinančiose medžiagose, stiprinamos šviesos intensyvumas ir, atitinkamai jos elektrinio lauko stiprumas, greitai tampa toks didelis, kad tiesiog suardo tas medžiagas. Paprastą, bet efektyvų šios problemos sprendimą jau minėtas profesorius Gérard‘as Mourou pasiūlė 1985 m. Jis su kolege pademonstravo tokį ultratrumpų lazerio impulsų stiprinimo metodą, kai lazerio impulsai gali būti sustiprinti šimtus ar net tūkstančius kartų, o juos stiprinančios medžiagos nepažeidžiamos. Greitai paaiškėjo, kad šis išradimas sukėlė tikrą revoliuciją didelės smailinės galios ultratrumpų impulsų lazerių kūrime. Stiprindami lazerio impulsus, G. Mourou ir D. Strickland pasinaudojo tuo, kad ultratrumpi (femtosekundiniai ar dar trumpesni) lazerio impulsai turi labai platų dažnių spektrą, todėl, prieš pradėdami stiprinimą, jie tuos impulsus išplėsdavo laike taip, kad skirtingų dažnių šviesos komponentės sklisdavo ne kartu, o atitinkamai pavėlintos ar paankstintos impulso centrinės dalies atžvilgiu. Tokiu būdu femtosekundinės trukmės impulsus galima transformuoti į tūkstančius ar net daugiau kartų ilgesnius lazerio impulsus, o tokie impulsai atitinkamai turi daug mažesnius šviesos intensyvumus ir elektrinio lauko stiprumus. Taigi, vietoje to, kad stiprintų labai trumpus ir aukšto intensyvumo lazerio impulsus, G. Mourou ir D. Strickland stiprindavo dirbtinai pailgintus lazerio impulsus, kurie stiprinančiose medžiagose net ir daug kartų sustiprinti sklisdavo jų nepažeisdami. Po to būdavo atliekama atvirkštinė tokių ilgų, bet sustiprintų impulsų transformacija – jie vėl būdavo suspaudžiami iki pradinės trukmės. Pasirodo, kad impulsus prailginti, o po to sustiprinus vėl suspausti iki pradinės trukmės galima naudojant paprastas difrakcines gardeles, kurių optinio pažeidimo slenkstis paprastai yra daug aukštesnis nei įprastinių lazerio spinduliuotę stiprinančių medžiagų (4 pav.).
4 pav. Principinė ultratrumpų lazerio impulsų stiprinimo schema. Adaptuota iš ELI-ERIC archyvo.
Lietuviai patobulino Nobelio premija apdovanotą technologiją
Nors prof. G. Mourou pasiūlytas ultratrumpų lazerio impulsų stiprinimo metodas sukėlė tikrą proveržį lazerių fizikoje, gana greitai pasirodė silpnoji tokių sistemų vieta – lazeriniai stiprintuvai, kurie yra labai specifiniai prietaisai, priklausomai nuo naudojamų medžiagų, kaip ir kieto kūno lazeriai, veikia tik tam tikrų bangų ilgių diapazonuose, o ir galinčių šviesą stiprinti medžiagų nėra daug. Be to, daug kartų stiprinant silpną signalą, tokie stiprintuvai siaurina jo spektrą, todėl sustiprintų lazerio impulsų nebeįmanoma suspausti iki pradinės trukmės. Todėl dar 1992 m. Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro vadovas profesorius Algis Petras Piskarskas pasiūlė ir kartu su Audriumi Dubiečiu bei Gediminu Jonušausku pademonstravo tokių impulsų stiprinimo galimybę tam naudojant taip vadinamą parametrinio šviesos stiprinimo (PŠS) reiškinį. Pats profesorius su kolegomis parametrinę šviesos generaciją ir stiprinimą tyrė nuo pat savo darbo pradžios Vilniaus universitete 1968 m., todėl puikiai žinojo, kad naudojant PŠS galima išvengti stiprinamų impulsų spektro siaurėjimo, o ir stiprinti galima praktiškai bet kokio bangos ilgio šviesą. Ir jo prielaidos pasitvirtino – PŠS metodas tapo bene svarbiausiu Lietuvos mokslininkų indėliu į pasaulinį lazerių fizikos mokslą, nes būtent jis naudojamas daugelyje pasaulinių mokslo centrų jau tris dešimtmečius kuriant itin trumpus ir galingus šviesos impulsus generuojančias lazerines sistemas. Ne išimtis ir ELI. Visuose trijuose ELI centruose jau veikia ar numatoma vystyti lazerines sistemas, naudojant ne tik prof. G. Mourou, bet ir prof. A. Piskarsko pasiūlytas technologijas.
Maža to, prof. A. Piskarsko išplėtotos PŠS technologijos didžiausioms Lietuvos lazerių įmonėms „Light Conversion“ ir „Ekspla“ komerciniu pagrindu leido įsijungti į ELI infrastruktūros plėtrą. Visuose ELI centruose veiksiantys išskirtinių parametrų ir galios lazeriai yra sukurti ir pagaminti šių įmonių konsorciume.
Taigi, prie ELI infrastruktūros vystymo svariai prisidėjo ne tik Lietuvos mokslininkai bet ir lazerių įmonės. Be to, kartu su Čekija, Vengrija ir Italija, Lietuva yra ELI ERIC steigėja, kas dar kartą patvirtina jau daugeliui žinomą faktą, kad Lietuva – ne tik krepšinio, bet ir lazerių šalis.
Galingi lazeriai – ir vėžio gydymui, ir aplinkosaugai
ELI centruose sumontuotų ir dar kuriamų galingų lazerių taikymo sritys – labai plačios. Aukštų parametrų elementarių dalelių pluoštus ir ekstremalią elektromagnetinę spinduliuotę galima naudoti ne tik moksliniams ir pramoniniams tyrimams, bet ir medicinoje. Protonų ir sunkiųjų jonų taikymas vėžio gydymui turi daugybę privalumų, lyginant su radioterapija, kai naudojama didelės energijos jonizuojanti spinduliuotė. Visų pirma, dalelių pluoštai vėžines ląsteles gali efektyviai naikinti tokiose vietose, kurios sunkiai pasiekiamos įprastiniais chirurgų instrumentais arba ten, kur jonizuojanti spinduliuotė gali pažeisti sveikus aplinkinius audinius (smegenų augliai, sritys prie stuburo, akys ir pan.). Antra, rentgeno ar gama spinduliuotė labai greitai silpnėja, sklisdama audiniuose ir todėl neišvengiamai pažeidžia išorinius jų sluoksnius, jei auglys yra kažkur giliau, o protonų ir jonų poveikis yra visiškai priešingas. Tinkamai parinkus jų energiją, piktybinės ląstelės giliai audinyje gali būti visiškai sunaikintos, praktiškai nepažeidžiant sveikų auglio paviršiuje esančių ląstelių. Šis vėžio gydymo būdas sparčiai populiarėja. Pasaulyje jau yra dešimtys gydymo centrų, kuriuose ši metodika jau taikyta dešimtims tūkstančių pacientų, šimtai jų pilnai pasveiko, tačiau tolesnį jo vystymąsi stabdo pigių ir efektyvių protonų jonų pluoštų šaltinių trūkumas.
Kita galingų lazerių taikymo sritis, turinti ypatingą svarbą yra aplinkosauga, o tiksliau – radioaktyvių atliekų utilizavimas. Tai gali būti atliekama ne tik tokias medžiagas šimtus, o gal ir tūkstančius metų saugant hermetiškose talpose, bet ir itin radioaktyvių izotopų atomus verčiant į ne tokius radioaktyvius ar visiškai stabilius, t. y., juos transmutuojant. Iki šiol tokias transmutacijas atlikti buvo galima tik branduolinius reaktorius papildžius dideliais elementarių dalelių greitintuvais, o tai ir labai brangu, ir neefektyvu. Iš kitos pusės, jau kelis dešimtmečius buvo žinoma, kad didelio intensyvumo lazerio spinduliuotė taip pat gali modifikuoti atomų struktūrą, tačiau tik atsiradus ultragalingiems ELI lazeriams, ši technologija tapo komerciškai įmanoma. 2021 m. grupė ELI ALPS mokslininkų pademonstravo, kad ultratrumpų lazerio impulsų laukuose greitinant deuterio jonus, net vieno lazerio šūvio metu galima gauti tūkstančius kontroliuojamų parametrų neutronų, kurie gali inicijuoti itin efektyvią izotopų transmutaciją ir tokiu būdu nukenksminti radioaktyvias atliekas. Siekdami toliau plėtoti šią technologiją ir ją komercializuoti šiam darbui apsijungė Šegedo universiteto (Vengrija), Paryžiaus Politechnikos universiteto (École Polytechnique) ir Kalifornijos korporacijos Tri Alpha Energy (TAE) atstovai. Planuojama, kad artimiausiu metu šių technologijų pagrindu bus galima gaminti brangius specifinius izotopus, naudojamus medicinoje.
Stiprus elektrinis laukas gali suardyti net vakuumą
Be komercinės naudos galingi lazeriai taip pat yra nepakeičiami fundamentalaus mokslo vystymęsi ir jo teorijų tikrinime. Vienas ryškiausių pavyzdžių, taip vadinamas, Švingerio (Shwinger) efektas. Tai – iš kvantinės elektrodinamikos teorijos sekanti išvada, kad ekstremaliai stiprus elektrinis laukas gali suardyti net vakuumą, iš jo išplėšdamas elektrono-pozitrono poras. Praktiškai šis reiškinys gali vykti nebent tolimajame kosmose, pavyzdžiui, neutroninėse žvaigždėse, nes tam elektrinio lauko stiprumas turi viršyti ar bent būti artimas taip vadinamai Švingerio ribai – maždaug 1018 V/m. Tai milžiniškas elektrinio lauko stiprumas, kurio pasiekti neįmanoma, naudojant net pačius įmantriausius prietaisus, žinoma, išskyrus lazerius, nes gerai sufokusavus ultratrumpus petavatinio lazerio impulsus, kaip jau buvo minėta, galima pasiekti net 1023–1024 W/cm2 šviesos intensyvumą.
Elektrinis laukas tokiuose impulsuose vis tiek dar toli nuo Švingerio ribos, kuri atitiktų 1029 W/cm2 šviesos intensyvumą, tačiau jau dabar pasiekiami 1020–1022 W/cm2 leidžia atlikti visą eilę su šiuo efektu susijusių eksperimentų, pavyzdžiui, tirti netiesines kvantinio vakuumo savybes ir jame vykstančią fotonų sąveiką, nors klasikinės elektrodinamikos požiūriu vakuume fotonai sklinda nesąveikaudami. Šie eksperimentai ne tik padės toliau vystyti kvantinę elektrodinamiką, bet ir pagilins supratimą apie Visatos sandarą, patikrins ir patikslins daugelį teorijų, aprašančių žvaigždžių formavimąsi ir kitus kosmose vykstančius reiškinius.
Jeigu viskas klostysis sėkmingai, ELI projekto rezultatai gali padėti mokslininkams atsakyti į klausimus, kodėl Visatoje dominuoja medžiaga, o antimedžiagos nėra? Kokia tamsiosios energijos ir medžiagos sudėtis? Kalbant apie praktinius taikymus, energetikams tai leis sukurti radioaktyviųjų atliekų neutralizavimo technologijas, o medikams pasiūlys efektyvesnius spindulinės terapijos metodus.
