Fysiker får ERC Synergy Grant för att skapa extrema ljuspulser

Medlemmarna i Synergy-teamet, från vänster: huvudprojektledaren professor Matt Zepf från Helmholtz Institute Jena och de tre övriga projektledarna: professor Brendan Dromey från Queen’s University Belfast, professor Alexander Pukhov från Heinrich Heine-universitetet i Düsseldorf och professor László Veisz från Umeå universitet.

BildMatt Zepf

Projektet är ett samarbete mellan forskare i Tyskland, Storbritannien och Sverige. Professor László Veisz vid Institutionen för fysik på Umeå universitet är en av projektledarna och expert på högeffektlasrar. Han och hans kollegor har byggt Sveriges kraftfullaste laser, LWS100, som kommer att användas i experimenten inom ExtremeField.

När en extremt kraftfull, ultrakort laserpuls träffar en glasyta omvandlas ytan till plasma och elektroner frigörs från atomkärnorna. Elektronerna rör sig med nästan ljusets hastighet och fungerar som en spegel som reflekterar ljuset, så att det bildar extremt korta ljusblixtar. Trycket från ljuset kan dessutom böja spegeln så att ljuset koncentreras till en mycket liten punkt.

Nära gränsen för vad ljus kan åstadkomma

Grundidén bakom metoden är att energin i laserpulsen fokuseras samtidigt i både rum och tid. Enligt beräkningar kan metoden öka ljuspulsens intensitet en miljon gånger jämfört med vad dagens lasrar uppnår vid brännpunkten. Sådana intensiteter ligger nära den så kallade Schwingergränsen, uppkallad efter den amerikanske fysikern Julian Seymour Schwinger, Nobelpristagare i fysik 1965.

Teorin förutsäger att så starka fält kan få elektroner och deras antipartiklar, positroner, att uppstå spontant i vakuum och att ljuspartiklar kan spridas av andra ljuspartiklar.

Men hittills har förutsägelserna inte testats experimentellt eftersom det inte varit möjligt att skapa så starka elektriska fält.

Idén bakom ExtremeField: En intensiv, mycket kort laserpuls (röd) från höger skapar en plasmaspegel, vars yta kröks och börjar svänga med hastigheter nära ljusets (grönt till vänster). Den svängande ytan reflekterar korta ljusblixtar med mycket kortare våglängder och fokuserar dem till en och samma ytterst liten punkt (den ljusa punkten i mitten). Där förväntas fältstyrkorna bli så höga att kvanteffekter i vakuum kan bli mätbara.

BildMatt Zepf med hjälp av Gemini

– Med ExtremeField siktar vi på att skapa, för första gången, experimentella förhållanden nära Schwingergränsen där kvanteffekter i vakuum kan mätas. Vi planerar att genomföra experiment vid vår högeffektlaser JeTi i Jena, Taranis i Belfast, Light Wave Synthesizer 100 (LWS100) i Umeå och utveckla en ny klass av lasrar för att uppnå maximal prestanda tillsammans med teammedlemmarna i Umeå, förklarar projektkoordinatorn professor Matt Zepf vid Helmholtz Institute Jena, en gren av GSI.

Datormodeller och experiment går hand i hand

Vid Heinrich Heine-universitetet i Düsseldorf utvecklar professor Alexander Pukhovs team datormodeller som visar hur laserljus omvandlar material till plasma och genererar ljus med högre frekvenser. Modellerna jämförs kontinuerligt med mätningar från experiment.

– Simuleringarna talar om för dem som utför experimenten var de ska leta, och experimenten visar oss var våra modeller fortfarande brister. Detta samspel är kärnan i projektet, säger Pukhov.

Vid Queen’s University Belfast i Nordirland kommer professor Brendan Dromey att undersöka hur glasytan övergår till plasma i början av laserpulsen.

László Veisz håller där på att bygga upp den nya lasern SUPER.

– LWS100 är det bästa verktyg vi har i dag för att komprimera laserpulser extremt mycket, både i tid och rum. Men vi ser framför oss en ännu bättre laser med pulser på bara en halv optisk cykel och nästan tio gånger högre toppeffekt än LWS100. Det skulle föra oss närmare Schwingergränsen, säger László Veisz.