Een wetenschappelijke mijlpaal is bereikt aan de University of Michigan. Daar heeft het ZEUS-laserproject (Zettawatt Equivalent Ultrashort pulse System) een piekvermogen van 2 petawatt gegenereerd — dat is twee biljard watt, oftewel honderd keer meer dan het wereldwijde elektriciteitsverbruik.
Het piekvermogen werd gegenereerd voor slechts voor 25 quintiljoenste van een seconde. Toch is dat voldoende om deuren te openen naar totaal nieuwe fysische experimenten, met toepassingen van kankerbehandeling tot astrofysica.
Krachtigste laser ter wereld
De ZEUS-laser is de opvolger van het al indrukwekkende HERCULES-systeem, dat ‘slechts’ 300 terawatt kon leveren. ZEUS blaast daar met zijn piekvermogen van 2 petawatt ver overheen en vormt hiermee de krachtigste laserinstallatie in de wereld.
Alleen al voor het veilig gebruiken van deze laser zijn muren nodig van 60 centimeter dik beton, om de gegenereerde straling binnen te houden.
De laser staat in een speciaal lab ter grootte van een gymzaal aan het Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science. De naamgever van het centrum, Gérard Mourou, won in 2018 de Nobelprijs voor de ontwikkeling van chirped pulse amplification — een techniek die lasers als ZEUS überhaupt mogelijk maakt.
Hoe werkt deze superlaser?
ZEUS is een zogeheten gepulste laser, wat betekent dat hij geen continue straal afgeeft, maar ultrakorte flitsen van extreem hoge energie. De gebruikte techniek, wakefieldversnelling, is een relatief jonge benadering in de natuurkunde. Hierbij wordt een krachtige laser op een gas (zoals helium) gericht, wat leidt tot het ontstaan van plasma — een mengsel van vrije elektronen en ionen. Deze elektronen ‘surfen’ op de golf die de laserpulsen veroorzaken en worden zo versneld tot bijna de lichtsnelheid.
Uniek aan ZEUS is dat het gas waarin dit gebeurt relatief laag in dichtheid is én over een lange afstand wordt gebruikt. Dit geeft de elektronen meer tijd om energie op te bouwen, wat leidt tot extreem hoge snelheden en energieën — vergelijkbaar met die in grootschalige deeltjesversnellers zoals CERN, maar dan op veel kleinere schaal.
De volgende stap
De volgende grote stap voor ZEUS is het zogenaamde “signature experiment” dat gepland staat voor later dit jaar. Hierbij zullen elektronen, versneld door de wakefieldmethode, frontaal botsen met een tegenkomende laserpuls van 3 petawatt. De interactie zal fysisch vergelijkbaar zijn met een zettawatt-schaal experiment — het soort krachten en energieën dat normaal alleen voorkomt in extreme kosmische gebeurtenissen zoals supernova’s of nabij zwarte gaten.
Met deze botsingen kunnen natuurkundigen verschijnselen onderzoeken die tot nu toe alleen theoretisch bestonden. Denk aan de productie van antimaterie, of het simuleren van quantumfenomenen in vacuümomstandigheden.
Van deeltjesversneller tot medische doorbraak
Hoewel ZEUS vooral opvalt vanwege zijn brute kracht, zijn de toepassingen veel breder dan fundamentele natuurkunde alleen. Van nieuwe methoden voor kankerbestraling tot lage-dosis röntgentechnologie voor medische beeldvorming — de technologie heeft potentie ver buiten het lab.
Professor Franklin Dollar van de University of California leidt het eerste externe experiment aan ZEUS. Zijn doel: elektronenbundels genereren die vergelijkbaar zijn met die van honderden meters lange versnellers, maar dan met een 5 tot 10 keer hogere energie. De droom van een compacte, lasergebaseerde versneller voor medische toepassingen komt hiermee een stap dichterbij.
Amerikaans prestigeproject van $16 miljoen
De ontwikkeling van ZEUS kostte zo’n $16 miljoen, gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation (NSF). Het is daarmee een prestigeproject binnen de Amerikaanse wetenschapsinfrastructuur en staat open voor onderzoeksteams van universiteiten door het hele land én daarbuiten.
NSF-programmadirecteur Vyacheslav Lukin benadrukt: “Het fundamentele onderzoek dat hier plaatsvindt, heeft potentie voor medische toepassingen en baanbrekende fysica. Dit is de plek waar de toekomst wordt uitgevonden.”
Concurrentie op de loer
De wereldwijde race om de krachtigste laser draait op volle toeren. Het Verenigd Koninkrijk bouwt momenteel aan de Vulcan 20-20, die naar verwachting een nog krachtigere straal zal produceren dan ZEUS. Daarmee wordt de lat in het wereldwijde laseronderzoek nóg hoger gelegd.
Toch blijft ZEUS uniek, vooral vanwege zijn combinatie van hoge energie en extreme precisie. In plaats van brute kracht alleen, ligt de kracht van ZEUS in de gecontroleerde manier waarop deze energie wordt ingezet om fysische processen op nanoschaal zichtbaar te maken en te manipuleren.
Een laser die de natuurwetten tart
Met ZEUS betreedt de wetenschap een nieuw tijdperk. Wat nu nog experimenteel is, kan in de toekomst de basis vormen voor snellere computers, betere medische diagnosemethoden en wellicht zelfs nieuwe energiebronnen. De laser is daarmee niet alleen een speeltuin voor fysici, maar een werkpaard voor de toekomst.
