• Começa com um estrondo

A energia do laser nunca excederá esse limite final

Amplificar a energia dentro de um laser, repetidamente, não lhe dará uma quantidade infinita de energia. Há um limite fundamental devido à física.

Principais conclusões

• Os lasers funcionam estimulando a emissão de radiação dentro de uma cavidade, repetidamente, acumulando quantos fótons forem desejados antes de emiti-los.
• É de se perguntar se você poderia usar essa técnica para acumular e produzir uma quantidade praticamente ilimitada de energia, potencialmente de uma só vez, se desejar.
• Mas acontece que este não é o caso. Há um limite fundamental para a quantidade de energia nos lasers, estabelecido por um culpado improvável: as regras da física de partículas.

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Em meados do século 20, não havia realmente nenhuma boa maneira de criar luz puramente monocromática: onde todos os fótons possuíam exatamente o mesmo comprimento de onda. Claro, você pode dividir a luz branca em suas cores componentes, como passando-a por um prisma ou filtro de cores e selecionando apenas uma faixa estreita de comprimentos de onda, mas isso não seria verdadeiramente monocromático. No entanto, o fato de átomos, moléculas, treliças e outras estruturas admitirem apenas um conjunto específico de transições de elétrons trouxe uma possibilidade fascinante: se você pudesse estimular a mesma transição repetidamente, poderia produzir uma luz verdadeiramente monocromática.

Desde 1958, conseguimos fazer exatamente isso com a invenção do laser. Com o tempo, os lasers se tornaram mais poderosos, mais difundidos e vêm em uma enorme variedade de comprimentos de onda. Ao ter fótons de um comprimento de onda específico se acumulando na cavidade do laser, essa emissão de mesma frequência é estimulada repetidamente. Mas você não pode simplesmente acumular fótons para sempre para obter uma densidade de energia arbitrariamente grande em seu laser; uma vez que você cruza um certo limiar, as próprias leis da física o impedirão. Eis por que há um limite máximo para a energia do laser e nunca poderemos ultrapassá-lo.

Uma variedade de níveis de energia e regras de seleção para transições de elétrons em um átomo de ferro. Há apenas um conjunto específico de comprimentos de onda que podem ser emitidos ou absorvidos por qualquer átomo, molécula ou rede cristalina. Se a mesma transição pode ser estimulada repetidamente, um laser pode ser criado.

Vamos primeiro ao básico de átomos, transições e níveis de energia. Em termos muito simples, um átomo é um núcleo carregado positivamente com um número de elétrons orbitando-o. Esses elétrons normalmente existem em várias configurações finitas, apenas 1 dos quais é idealmente o mais estável: o estado fundamental . Há apenas um conjunto finito de comprimentos de onda de luz que um elétron dentro de um átomo pode absorver, e se você atingir esse elétron com um fóton de tal comprimento de onda, ele pulará: entrando em uma configuração de energia mais alta ou em uma Estado de excitação .

Se todas as outras condições pudessem ser ignoradas, esse estado excitado decairia espontaneamente para um estado de energia mais baixo — de uma só vez para o estado fundamental ou em uma cadeia — após uma quantidade finita de tempo, emitindo um fóton de uma energia muito particular. (ou conjunto de energias) quando o faz.

Mas se você pode estimular um átomo no estado fundamental (ou um análogo molecular ou de rede, com, digamos, um elétron de valência) para excitar em um estado excitado particular, você pode persuadi-lo a desexcitar (e emitir radiação) em um frequência particular, muito consistente. A grande ideia de um laser é que você bombeia energia, e praticamente todos os fótons emitidos que saem de desexcitações acontecem no mesmo comprimento de onda.

Ao “bombear” elétrons para um estado excitado e estimulá-los com um fóton do comprimento de onda desejado, você pode causar a emissão de outro fóton com exatamente a mesma energia e comprimento de onda. Esta ação é como a luz para um laser é criada pela primeira vez.

A própria ideia de um laser em si ainda é relativamente nova, apesar de quão difundidos eles são. O próprio laser só foi inventado em 1958. Originalmente um acrônimo para eu direito UMA amplificação por S estimulado E missão de R adiação, os lasers são um pouco impróprios. Na verdade, nada está realmente sendo amplificado. Eles funcionam aproveitando a estrutura da matéria normal, que possui núcleos atômicos e vários níveis de energia para seus elétrons ocuparem. Em moléculas, cristais e outras estruturas ligadas, as separações particulares entre os níveis de energia de um elétron determinam quais transições são permitidas.

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A maneira como um laser funciona é oscilando os elétrons entre dois estados permitidos, fazendo com que eles emitam um fóton de uma energia muito particular quando caem do estado de energia mais alto para o mais baixo. A adição de energia, que “bombeia” os elétrons para os estados excitados desejados, leva a uma desexcitação espontânea, criando mais e mais fótons dessa frequência monocromática desejada. Essas oscilações são o que causa a emissão de luz. Nós os chamamos de lasers, talvez, porque ninguém envolvido achou que era uma boa ideia usar a sigla eu direito O oscilação por S estimulado E missão de R radiação.

Um conjunto de ponteiros laser Q-line mostra as diversas cores e tamanho compacto que agora são comuns para lasers. Ao “bombear” elétrons para um estado excitado e estimulá-los com um fóton do comprimento de onda desejado, você pode causar a emissão de outro fóton com exatamente a mesma energia e comprimento de onda. Essa ação é como a luz para um laser é criada pela primeira vez: pela emissão estimulada de radiação.

A parte da “emissão espontânea”, porém, é de suma importância, e o que faz um laser, por falta de palavra melhor, deixar . Se você puder produzir vários átomos ou moléculas no mesmo estado excitado e estimular seu salto espontâneo para o estado fundamental, eles emitirão o mesmo fóton de energia.

Essas transições são extremamente rápidas (mas não infinitamente rápidas) e, portanto, há um limite teórico para a rapidez com que você pode fazer um único átomo (ou molécula) saltar para o estado excitado e emitir um fóton espontaneamente; o sistema demora a reiniciar.

Normalmente, algum tipo de gás, composto molecular ou cristal é usado dentro de uma cavidade ressonante ou reflexiva para criar um laser, mas os últimos anos descobriram outros métodos para estimular esse tipo exato de radiação. Elétrons livres também podem ser usados ​​para fazer lasers, assim como semicondutores, fibras ópticas e possivelmente até positrônio: estados ligados de elétrons e pósitrons. O comprimento de onda que os lasers podem emitir luz varia de ondas de rádio extremamente longas a raios X incrivelmente curtos, com raios gama teoricamente também possíveis. O processo de lazer até ocorre naturalmente no espaço , em ambas as frequências de microondas e luz visível.

Esta imagem composta do Hubble (azul/branco/escuro) e do ALMA (vermelho) mostra não apenas o sistema de galáxias em colisão Arp 220, mas também o núcleo duplo que contém a emissão brilhante de megamasers de água e hidroxila.

À medida que novos métodos e técnicas são desenvolvidos, a quantidade de energia produzida pelos lasers continuou a aumentar ao longo do tempo, com intensidades limitadas apenas pelos aspectos práticos da tecnologia moderna. Em 2018, o Prêmio Nobel de Física foi concedido por avanços na tecnologia do laser , com metade do prêmio indo especificamente para controlar a potência e a frequência de pulso do seu laser. Pensamos na luz do laser como sendo continuamente emitida, mas isso nem sempre é necessariamente o caso. Em vez disso, outra opção é economizar a luz do laser que você está produzindo e emitir toda essa energia em uma única e curta rajada. Você pode fazer isso tudo de uma vez ou pode fazê-lo repetidamente, potencialmente com frequências relativamente altas.

Em 1985, os ganhadores do Prêmio Nobel Gérard Mourou e Donna Strickland publicaram um artigo juntos onde detalhavam exatamente como criaram um pulso de laser ultracurto e de alta intensidade de maneira repetitiva. O material amplificador utilizado não foi danificado. A configuração básica era de quatro etapas simples em princípio, mas monumentais na prática:

• Primeiro, eles criaram esses pulsos de laser relativamente padrão.
• Então, eles esticaram os pulsos no tempo, o que reduz sua potência de pico e os torna menos destrutivos.
• Em seguida, eles amplificaram os pulsos de potência reduzida e estendidos no tempo, aos quais o material usado para amplificação agora poderia sobreviver.
• E, finalmente, eles comprimiram os pulsos agora amplificados no tempo.

Ao tornar o pulso mais curto, mais luz se acumula no mesmo espaço, levando a um aumento maciço na intensidade do pulso.

Começando com um pulso de laser de baixa potência, você pode esticá-lo, reduzindo sua potência, depois amplificá-lo, sem destruir seu amplificador, e depois comprimi-lo novamente, criando um pulso de maior potência e período mais curto do que seria possível. Estamos agora na era da física dos attossegundos (10^-18 s), no que diz respeito aos lasers.

A nova técnica, conhecida como amplificação de pulso chilreado , tornou-se o novo padrão para lasers de alta intensidade; é a tecnologia utilizada nas milhões de cirurgias oculares corretivas realizadas anualmente. O trabalho pioneiro de Mourou e Strickland tornou-se a base do doutorado de Strickland. tese, e há mais aplicações sendo descobertas para seu trabalho em uma ampla variedade de campos e indústrias.

Mas esses avanços podem continuar arbitrariamente no futuro, sem qualquer limite?

Você pode se perguntar se há um limite intrínseco para o número de fótons que podem existir devido a um laser (ou processo semelhante a laser), já que há um limite para, digamos, o número de elétrons que você pode colocar em uma determinada região do espaço . Na mecânica quântica, há um princípio muito importante - o Princípio de exclusão de Pauli — que declara que duas partículas quânticas com propriedades exatamente idênticas não podem existir simultaneamente no mesmo estado quântico.

Os níveis de energia e funções de onda de elétrons que correspondem a diferentes estados dentro de um átomo de hidrogênio, embora as configurações sejam extremamente semelhantes para todos os átomos. Os níveis de energia são quantizados em múltiplos da constante de Planck, mas os tamanhos dos orbitais e átomos são determinados pela energia do estado fundamental e pela massa do elétron. Apenas dois elétrons, um spin para cima e outro para baixo, podem ocupar cada um desses níveis de energia devido ao princípio de exclusão de Pauli.

Só que omiti uma advertência muito importante: o princípio de exclusão de Pauli apenas aplicado a partículas como elétrons ou quarks, cujo spin vem em incrementos de meio inteiro: ±1/2, ±3/2, ±5/2 etc. Para partículas como fótons que possuem spins inteiros: 0, ±1, ±2 etc., não há absolutamente nenhum limite para o número de partículas idênticas que podem ocupar o mesmo estado quântico no mesmo local físico! Em um nível fundamental, o princípio de exclusão de Pauli é o motivo pelo qual consideramos “matéria normal” ocupa espaço em tudo . Mas nem tudo está vinculado a essa regra, e isso inclui fótons.

O fóton, que é a partícula produzida por lasers de todas as variedades, tem um spin de ±1 e, portanto, teoricamente você pode empacotar um número arbitrariamente grande deles em um espaço tão pequeno quanto desejar.

Isso é teoricamente extremamente importante, porque significa que, se pudermos descobrir a tecnologia certa, não há limite para a magnitude das densidades de energia que podemos alcançar com fótons. Pelo menos, não há um limite que surge devido ao princípio de exclusão de Pauli: podemos empacotar um número infinito de fótons em um espaço arbitrariamente pequeno. Há um limite para a intensidade que um laser pode atingir: a energia ao longo do tempo em uma área. Esse não é um limite fundamental, mas sim uma limitação prática definida pelos materiais usados ​​na própria configuração do laser.

O princípio de exclusão de Pauli impede que dois férmions coexistam no mesmo sistema quântico com o mesmo estado quântico. Só se aplica a férmions, no entanto, como quarks e léptons. Não se aplica a bósons e, portanto, não há limite para, digamos, o número de fótons idênticos que podem coexistir no mesmo estado quântico.

Imaginemos, então, que tentamos fazer isso. Vamos pegar uma cavidade de laser, instalar espelhos em ambas as extremidades e estimular a radiação emitida até atingir a intensidade máxima prática para este laser.

Então o que faremos é tornar um dos espelhos móvel e deslizá-lo para dentro, comprimindo assim a cavidade à medida que removemos os átomos neutros e excitados (ou seja, os não fótons) de dentro. Essa compressão, ao diminuir o volume em que esses fótons estão presentes, aumenta substancialmente a densidade de energia do sistema: a densidade de energia dentro dessa cavidade de laser espelhada.

Se pudéssemos fazer isso para sempre – diminuindo o volume da cavidade até onde ousamos – descobriríamos que a densidade de energia continua a aumentar, mas também a energia por fóton também aumentaria, pois o trabalho realizado para puxar o espelho para dentro (uma forma de energia) seria transferido para os fótons individuais. Você pode imaginar, se continuasse a puxar esse espelho, elevando tanto a densidade geral de energia dos fótons quanto a energia por fóton no sistema, que a energia aumentaria e aumentaria e aumentaria. Você poderia realizar essa tarefa sem limites, aumentando a densidade de energia e a energia por fóton enquanto fazia isso, até que finalmente criou um buraco negro?

Dentro de uma cavidade de laser espelhada, não há limite para a densidade total de energia do fóton, mas há um limite para a intensidade medida dos fótons no laser, que é representada pelo estado de equilíbrio. Se um espelho é então trazido enquanto os átomos são evacuados enquanto os fótons permanecem dentro, a densidade de energia pode ser impulsionada para cima, assim como a energia por fóton.

A resposta é não, porque há um limite fundamental que encontraremos primeiro: o limite de energia para a produção de pares partícula-antipartícula. Uma vez que a energia de cada fóton individual sobe acima de 1,022 MeV, há uma chance, toda vez que ele interage com outra partícula (como ao atingir as paredes do espelho), que ele fará a transição de um fóton para um par elétron-pósitron. Uma vez que você comece a produzir elétrons e pósitrons, os pósitrons começarão a se aniquilar com as paredes da cavidade e os espelhos, explodindo seu laser em um evento espetacular, mas catastrófico.

Isso é muito ruim, porque você precisaria alcançar energias que fossem muito, muito mais altas do que isso - por cerca de um fator de um sextilhões (10 ^{vinte e um} ) ou mais — para criar um buraco negro. Em altas energias de fótons, sua luz laser começa a se assemelhar a um banho térmico de matéria-antimatéria, em vez de uma simples luz coerente. Esse limite, bem como (em energias ainda mais altas) o fato de que fótons individuais destruirão os limites da cavidade, em vez de refletir neles, definirá o limite final de como os lasers energéticos dentro de uma cavidade podem chegar.

No National Ignition Facility, lasers omnidirecionais de alta potência comprimem e aquecem um pellet de material em condições suficientes para iniciar a fusão nuclear. Uma bomba de hidrogênio, onde uma reação de fissão nuclear comprime a pastilha de combustível, é uma versão ainda mais extrema disso, produzindo temperaturas maiores do que até mesmo o centro do Sol.

Isso não significa, no entanto, que não poderíamos projetar uma explosão de laser tão enérgica quanto gostaríamos por meio de uma configuração inteligente. Isso pode incluir:

• aproveitando um grande número de lasers de alta potência, todos convergindo no mesmo ponto,
• usando amplificação de pulso chilreado para atingir intensidades de zetawatt,
• e encolhendo/comprimindo o pulso para diminuir o período enquanto amplifica a potência no processo,

ou mesmo todas as anteriores.

Tudo, desde cirurgias oculares a laser até explosões de fusão no National Ignition Facility, aproveita essa tecnologia a laser, com muitas dessas aplicações já em uso. Praticamente, sim, há um limite para a quantidade de energia e a intensidade que poderíamos alcançar com um laser. Mas se pudéssemos projetar um material forte o suficiente para resistir a um banho térmico de matéria-antimatéria, bem como os fótons de maior energia imagináveis, poderíamos atingir densidades de energia sem limite superior. Talvez, algum dia, essa seja a chave que desbloqueie nossa capacidade de criar um buraco negro em laboratório pela primeira vez!

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