Cơ sở laser ZEUS tại Đại học Michigan vừa thực hiện thí nghiệm bắn tia laser chính thức đầu tiên ở mức 2 petawatt (2 triệu tỷ watt), gần gấp đôi công suất đỉnh của bất kỳ loại laser nào khác đang hoạt động tại Mỹ, và vượt tổng công suất điện trên toàn thế giới hơn 100 lần. Tuy nhiên, luồng năng lượng khổng lồ này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian cực ngắn của một xung laser – vỏn vẹn 25 phần tỷ tỷ giây.

“Mốc này đánh dấu sự khởi đầu cho những thí nghiệm trong những lĩnh vực chưa từng được khám phá trong ngành khoa học cường độ trường mạnh của Mỹ,” Karl Krushelnick, giám đốc Trung tâm Khoa học Quang học Siêu nhanh Gérard Mourou, nơi đặt ZEUS, cho biết.

Ứng dụng trong khoa học và xã hội

Nghiên cứu tại ZEUS sẽ có ứng dụng trong y học, an ninh quốc gia, khoa học vật liệu, thiên văn học, cũng như khoa học plasma và vật lý lượng tử. Được Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ tài trợ, ZEUS là một cơ sở mở – nghĩa là các nhóm nghiên cứu từ khắp nước Mỹ và quốc tế có thể gửi đề xuất thí nghiệm để được xét duyệt độc lập.

“Một trong những điều tuyệt vời của ZEUS là nó không chỉ là một chiếc búa laser khổng lồ, mà có thể tách chùm sáng thành nhiều tia khác nhau,” Franklin Dollar, giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học California, Irvine, cho biết.

“Có một nguồn lực quốc gia như thế này, nơi cấp quyền sử dụng cho những ý tưởng thí nghiệm hứa hẹn nhất nhằm thúc đẩy các ưu tiên khoa học, thực sự mang khoa học laser cường độ cao trở lại với Mỹ,” ông nói thêm. Nhóm của ông đang thực hiện thí nghiệm đầu tiên với công suất 2 petawatt.

Tạo ra chùm tia ngang tầm máy gia tốc hạt

Nhóm của Dollar, hợp tác với ZEUS, hướng tới việc tạo ra các chùm electron có mức năng lượng ngang với những chùm tia sinh ra từ các máy gia tốc hạt dài hàng trăm mét. Những chùm này sẽ mang năng lượng cao gấp 5 đến 10 lần bất kỳ kết quả nào ZEUS từng đạt được trước đây.

“Chúng tôi đặt mục tiêu đạt năng lượng electron cao hơn bằng cách sử dụng hai tia laser riêng biệt – một tia để tạo kênh dẫn và một tia khác để gia tốc electron qua đó,” Anatoly Maksimchuk, nhà khoa học nghiên cứu về kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Michigan, người dẫn dắt việc phát triển các khu vực thí nghiệm, cho biết.

Một phần trong nỗ lực này là thiết kế lại mục tiêu. Nhóm nghiên cứu đã kéo dài buồng khí chứa heli, nơi tia laser được chiếu vào. Khi xung laser đi qua, nó tách electron khỏi nguyên tử, tạo thành plasma – hỗn hợp electron tự do và ion tích điện dương. Các electron tự do sau đó bị kéo theo sau xung laser, giống như những người lướt sóng trượt trên sóng phía sau một chiếc thuyền tốc độ cao, trong quá trình gọi là gia tốc trường sau (wakefield acceleration).

Vì ánh sáng di chuyển chậm hơn trong plasma, các electron có thể bắt kịp xung laser. Với mục tiêu dài hơn và mật độ thấp hơn, chúng có thêm thời gian để gia tốc trước khi vượt qua xung, cho phép đạt tốc độ cao hơn nhiều.

Hướng tới thí nghiệm quy mô zettawatt

Minh chứng về năng lực của ZEUS mở đường cho thí nghiệm quan trọng sắp diễn ra vào cuối năm nay, trong đó các electron được gia tốc sẽ va chạm với những xung laser truyền ngược chiều. Từ góc nhìn của electron, một xung laser 3 petawatt sẽ được khuếch đại đến quy mô zettawatt. Hiện tượng này chính là nguồn gốc của tên gọi đầy đủ ZEUS: Zettawatt Equivalent Ultrashort laser pulse System (Hệ thống xung laser siêu ngắn tương đương zettawatt).

“Nghiên cứu cơ bản tại cơ sở ZEUS do NSF tài trợ có rất nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm các phương pháp chụp ảnh mô mềm tốt hơn và cải tiến công nghệ điều trị ung thư cùng nhiều bệnh khác,” Vyacheslav Lukin, giám đốc chương trình tại Ban Vật lý NSF, cơ quan giám sát dự án ZEUS, cho biết. “Các nhà khoa học sử dụng những khả năng độc đáo của ZEUS sẽ mở rộng biên giới tri thức của nhân loại theo những cách mới và mang lại cơ hội mới cho đổi mới và tăng trưởng kinh tế của Mỹ.”

Cơ sở ZEUS nằm gọn trong một không gian có kích thước tương đương một phòng tập thể dục của trường học.

“Là một cơ sở quy mô trung bình, chúng tôi có thể vận hành linh hoạt hơn so với những cơ sở lớn như các máy gia tốc hạt hoặc Cơ sở Khởi phát Nhiệt hạch Quốc gia,” John Nees, nhà nghiên cứu tại Đại học Michigan chuyên ngành kỹ thuật điện và máy tính, người đứng đầu xây dựng laser ZEUS, cho biết. “Sự cởi mở này thu hút nhiều ý tưởng mới từ cộng đồng khoa học rộng lớn hơn.”

Thách thức trong việc đạt công suất tối đa

Con đường đến mốc 2 petawatt diễn ra chậm và thận trọng. Chỉ riêng việc thu thập các linh kiện cần thiết để lắp ráp hệ thống đã khó khăn hơn dự kiến. Thách thức lớn nhất là tinh thể sapphire pha titan. Với đường kính gần 18 cm, nó là bộ phận then chốt của bộ khuếch đại cuối cùng, giúp đưa xung laser lên công suất tối đa.

“Tinh thể mà chúng tôi sẽ nhận được vào mùa hè sẽ giúp đạt 3 petawatt, và phải mất bốn năm rưỡi để chế tạo,” Franko Bayer, quản lý dự án ZEUS, nói. “Loại tinh thể titanium sapphire có kích thước này, trên thế giới chỉ có vài cái.”

John Nees (trái) và kỹ sư laser Richard Van Camp (phải) kiểm tra sự tương thích của hệ thống quang học bên trong tủ khuếch đại xung laser. Ở mức 2 petawatt, ZEUS hiện là laser mạnh nhất tại Hoa Kỳ. Ảnh: Michigan Engineering

Góc nhìn qua tinh thể titanium-sapphire giúp truyền năng lượng vào các xung laser của ZEUS. Ảnh: Michigan Engineering