Šiuolaikinių lazerių pasaulyje sekundė iš tiesų gali atrodyti tarsi amžinybė. Pasaulio lazerių mokslininkai ir inžinieriai yra pasiryžę sukurti dar neregėtus, ir labai galingus, ir labai trumpus, atosekundinius (impulso trukmė – 10-18 sekundės) rentgeno spindulių diapazono lazerius.
O visa tai todėl, kad lazeriai yra unikalūs ir universalūs instrumentai, galintys padėti įminti pačias didžiausias Visatos paslaptis ir pamatyti, kas vyksta atomų viduje.
„Viena iš dabartinės fizikos tendencijų – išsiaiškinti kas vyksta, kai pasiekiamos labai didelės energijos. Arba išsiaiškinti, kaip vyko pirmasis sprogimas, pagimdęs Visatą. Tai – labai brangios, didelės infrastruktūros, kur dalyvauja daug tarptautinių organizacijų ir valstybių“, – sako lazerių gamybos įmonės „Ekspla“ generalinis direktorius Kęstutis Jasiūnas.
Medžiaga ir antimedžiaga – tarsi iš niekur
Branduolinių tyrimų centre – CERN – tokioms kosmologinėms paslaptims įminti sėkmingai naudojamas elementariųjų dalelių greitintuvas. Po kelerių metų Europoje pradės veikti dar viena unikali lazerinė infrastruktūra, kainuosianti 850 mln. eurų, kuri irgi spręs panašius globalius klausimus, tik kitu būdu.
„Kita tyrimų sritis – norima pasiekti dideles energijas, sukoncentruojant labai daug šviesos trumpame impulse. Tada būtų galima energiją paversti materija arba atvirkščiai“, – pasakoja K. Jasiūnas.
Kitaip sakant, naudojant itin galingus ir trumpus šviesos impulsus, tikimasi ištirti, iš ko sudarytas vakuumas. Tam reikia nei daug, nei mažai – suardyti kvantinę erdvėlaikio struktūrą. 200 petavatų galios impulsas, kurios trukmė – viena trilijonoji sekundės dalis, nukreiptas į vieną tašką, taip paspirgins tas virtualias daleles, kurių egzistavimą pranašavo fizikas Paulas Diracas, kad jų savybės pasikeis ir aparatūra spės užfiksuoti jų egzistavimą. Tarsi iš nieko bus sukuriama medžiaga ir antimdžiaga.
Lazeriai – ir automobiliams, ir medicinai
Per pastaruosius kelis dešimtmečius lazeriai tapo universalia priemone, naudojama daugelyje pramonės sričių. Pavyzdžiui, šiuo metu net gaminant mobiliuosius telefonus ar TV ekranus praverčia lazerių technologijos.
„Viskas paremta lazerio gebėjimu labai preciziškai ką nors nupjauti ar užgarinti, uždėti ar nuimti. Todėl jie naudojami variklių gamyboje, kuro purkštukams skyles gręžiant lazeriu. Ir medicinoje, kur gydymui, chirurginei operacijai ar diagnostikai taipgi naudojami lazeriai“, – aiškina K. Jasiūnas.
Tačiau, kaip jau minėta, šviesos impulsai visų pirma gali tapti fundamentalių mokslo klausimų sprendimo instrumentu. Tą leidžia pasiekti kuriamos naujos medžiagos, unikalūs technologiniai sprendimai, panaudojami kuriant tokius superlazerius.
„Tie nauji technologiniai sprendimai leidžia pasiekti tam tikras energijas, galias, kurios leistų tirti neištyrinėtas fizikos sritis“, – tvirtina lazerių gamybos įmonės „Ekspla“ generalinis direktorius.
10 mln. kartų stipriau už IAE
2017 metais planuojamas ekstremalios šviesos infrastruktūros, vadinamos ELI, startas. Ją kuria 40 mokslo ir verslo institucijų. Taip pat iš Lietuvos. Itin galingi lazeriai bus pastatyti trijose Rytų Europos valstybėse, o ketvirtas – galbūt Didžiojoje Britanijoje. Tai taps vieta tarpdisciplininiams tyrimams, naudojant lazerių spinduliuotę ir jos generuojamą antrinę radiaciją. Tai pirma tokia tarptautinė lazerių tyrimų infrastruktūra pasaulyje.
„Vienas iš tų centrų yra Bukarešte, Rumunijoje, kur kuriama lazerinė struktūra. Joje būtų naudojami labai didelės energijos šviesos impulsai branduolio struktūrai nagrinėti. Kitas centras planuojamas Prahoje. Ten būtų mėginama sukurti didelės galios šviesos srautą, kuris leistų generuoti gama daleles, rentgeno spinduliuotę ir atlikti tyrimus su šitais energijos nešėjais“, – teigia K. Jasiūnas.
Lietuvos lazerių gamintoja „Ekspla“ kartu su amerikiečių kompanija „National Energetics“ laimėjo konkursą už daugiau nei 100 mln. litų pagaminti ir įdiegti ultradidelio intensyvumo lazerinę sistemą Europos Sąjungos mokslinių tyrimų komplekse „ELI Beamlines“ netoli Prahos.
„Mes laimėjome kartu su įmone iš Teksaso. Jie turi vieną technologiją, sukurtą Teksaso universitete, kartu sujungiant su mūsų technologijomis. Prahoje turime sukurti lazerinę sistemą, kuri siektų iki 10 petavatų galios impulso vienam impulse“, – LRT televizijos laidai „Mokslo ekspresas“ pasakoja specialistas.
Jeigu palygintume, Ignalinos atominė elektrinė, kuri buvo vieno gigavato galios, buvo 10 mln. kartų silpnesnė, negu tas vienas šviesos impulsas, kurį bandysime sukurti.
Viena sekundė – 30 milijardų metų
Trečioji ELI projekto sudėtinė dalis – femtosekundinis lazeris Vengrijoje, galintis sužadinti atosekundinius impulsus, tyrinės elektronų judėjimo ypatumus atomuose ir molekulėse. Jame irgi dalyvaus mūsų šalies mokslininkai.
„Mes jau gavome oficialų pranešimą, kad esame laimėtojai. Dvi kompanijos – „Ekspla“ ir „Šviesos konversija“. Sujungę savo turimas technologijas, galime pateikti pilną sprendimą. Darbai turi prasidėti mėnesio bėgyje“, – aiškina K. Jasiūnas.
Tokios trukmės yra tiesiog neįsivaizduojamai mažos. Antai jeigu pavyktų taip sulėtinti laiką, kad atosekundė būtų lygi vienai sekundei, tuomet mūsų įprastinė sekundė tęstųsi net 30 milijardų metų! Tai yra, dvigubai daugiau, negu egzistuoja Visata.
Mokslininkai jau žino, kaip išmatuoti tokias neįtikėtinai trumpas laiko trukmes ir kaip sukurti atosekundinius impulsus. O viskas kažkada prasidėjo nuo stroboskopo.
„Kažkada žmonės sugalvojo panaudoti stroboskopą, kad pamatytų, kaip šuoliuoja arklys. Po to tai leido pamatyti, kaip dirba varikliai. Dabar naudojami itin trumpi lazerių impulsai, kai norima pamatyti, kas vyksta atomo viduje, arba kaip virusas prisijungia prie DNR molekulės. Tie visi procesai vyksta femto, atosekundžių diapazonuose“, – teigia K. Jasiūnas.
Molekulių dydžio prietaisai
Vieni pirmųjų 250 atosekundžių trukmės lazerio impulsus prieš dešimtmetį sugeneravo Miuncheno universiteto ir Makso Planko instituto mokslininkai. Per tokį trumpą laikotarpį šviesa nespėja netgi perskrosti bakterijos.
Naudodami tokius impulsus mokslininkai galėtų stebėti, kaip juda elektronai, peršokdami iš vieno energetinio lygmens į kitą. Jie tokį šuolį atlieka per 100 atosekundžių. Kita vertus, tai leistų chemikams pamatyti, kaip sudėtingose molekulėse formuojasi arba nutrūksta cheminės jungtys. Ši informacija būtina siekiant sukurti dar efektyvesnius ir mažesnius elektroninius prietaisus – galbūt netgi molekulių dydžio. Viena iš svajonių – sukurti mikroskopą, galintį fiksuoti molekules sudarančių atomų 3D vaizdus.
„Mes naudojamės technologija, kurią Lietuvos fizikai sukūrė apie 1992 me. Lietuvos lazerių specialistai buvo paskelbę technologinį sprendimą, kuris leistų spręsti tokius uždavinius, kaip pasiekti dideles energijas labai trumpu impulsu. Praėjus 20 metų, ta technologija buvo išvystyta. Dėl to, kad mes ja naudojamės, turėjome didelį privalumą prieš kitus“, – džiaugiasi specialistas.
Lietuvių sprendimai geresni
Vienas iš pagrindinių būdų gauti šiuos impulsus – panaudoti vadinamąją optinių čirpuotų impulsų parametrinį stiprinimą kelių femtosekundžių (10-15) trukmės galingiems impulsams suformuoti. Juos fokusuojant į inertines dujas, žadinami atosekundiniai Rentgeno diapazono impulsai. Šiuo metu vis daugiau pasaulio lazerinių tyrimų centrų kuria atosekundinių impulsų šaltinius, pasinaudodami šia idėja.
Be abejo, ELI projekto konkurse dalyvavo įmonės ir tyrėjų grupės iš įvairių pasaulio šalių. Tačiau lietuvių technologiniai sprendimai buvo geresni.
Pastaruoju metu vis dažniau girdima apie Lietuvos mokslo institucijų ir lazerių gamybos įmonių sėkmę, vystant ir diegiant šias technologijas. Bendromis Vilniaus universiteto, bendrovių „Ekspla“ ir „Šviesos konversija“ fizikų ir inžinierių jėgomis buvo sukurti svarbiausi veikiantys elementai ir sistemos, tarptautinės prieigos lazerinis kompleksas NAGLIS, montuojamas VU Lazerinių tyrimų centre, gaunami užsakymai iš įvairių Europos ir pasaulio laboratorijų.
„Mums reikės pagaminti tam tikras lazerines sistemas, daug elektronikos, maitinimo blokų. Lazerinės dalys – mūsų lazeriai, šviesos stiprintuvai, bus montuojami kartu su mūsų partnerių sukurtais komponentais“, – sako K. Jasiūnas.
Vienas iš projekto ELI tikslų – paskatinti Rytų Europos mokslininkus savo šalyse kurti aktyvias tyrėjų grupes, o ne emigruoti į vakarų mokslo centrus.
Prisidės ir prie vėžio gydymo
ELI – didžiausia, bet ne vienintelė galingų lazerių infrastruktūra pasaulyje. Antai vieno petavato galios sistema veikia Teksaso universitete. Lorenco Livermoro nacionalinėje laboratorijoje yra National ignition facility – nacionalinė uždegimo infrastruktūra, kurios tikslas – sukurti valdomos termobranduolinės sintezės sistemą.
Tokias galingas sistemas panaudoti praktikoje artimiausiu metu bus sudėtinga. Bet šitaip sukuriama naudingų technologinių sprendimų, pritaikomų įvairiose srityse. Pavyzdžiui, Lietuvos lazerių kūrėjai dalyvauja projekte, kurio tikslas – sukurti protonų greitintuvą vėžiui gydyti.
„Būtent su šviesos spinduliais ketiname greitinti protonus, kurie dėl savo tam tikrų fizikinių savybių nusklinda žmogaus kūnu nepažeisdami tų audinių, pro kuriuos jie sklinda, o pažeidžia tik audinius, į kuriuos yra nutaikyti. Taip bus galima preciziškai naudoti protonų greitintuvą gydymui. Šiuolaikiniai protonų greitintuvai dydžiu prilygsta krepšinio aikštelei. Naudojant naujas technologijas, kurios gaunamos kuriant tokias lazerių infrastruktūras, bandoma protonų greitintuvą sumažinti iki rašomojo stalo dydžio“, – pasakoja K. Jasiūnas.
Lietuvos lazerių specialistai – mokslininkai ir verslininkai jau daugiau nei du dešimtmečius kuria ir gamina lazerines sistemas ir susijusią įrangą. Su tais lazeriais dirba mokslininkai žymiausiuose visų žemynų universitetuose, IBM, NASA, JAV karinio laivyno ir oro pajėgų tyrimų centruose, CERN, Rezerfordo laboratorijoje.
„Mums, kaip įmonei, tokie projektai nėra kasdienė verslo duona. Dalyvavimas tokiuose projektuose suteikia galimybę prieiti prie tam tikrų technologijų, gauti tam tikrų žinių, susikurti dalykų, kuriuos mes po to galime pritaikyti kasdieniniame gyvenime“, – teigia lazerių gamybos įmonės „Ekspla“ generalinis direktorius.
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? Ar mūsų Visatoje egzistuoja daugiau negu keturi matavimai?
Kalbant apie praktinius taikymus, energetikams tai leis sukurti radioaktyviųjų atliekų neutralizavimo technologijas, o medikams pasiūlys efektyvesnius spindulinės terapijos metodus. Taigi lazerių galimybės nuolat auga, šie instrumentai padeda atskleisti neįtikėtinas mus supančio pasaulio ir gyvosios gamtos paslaptis.
Rolandas Maskoliūnas, LRT televizijos laida „Mokslo ekspresas“, LRT.lt
