ومع الانتهاء بنجاح من أول تجربة بقدرة 2 بيتاواط، تستعد شركة ZEUS لدفع حدود العلوم عالية المجال وتزويد الباحثين بأدوات جديدة قوية لتسهيل الاستكشاف والابتكار. ويواصل الفريق ترقية النظام والسعي للوصول إلى طاقته القصوى، في حين أن تجارب المستخدم جارية بالفعل.
إن منشأة زيوس لليزر التابعة لجامعة ميشيغان تدفع الولايات المتحدة إلى طليعة علوم الليزر عالي الكثافة. في أول تجربة رسمية له، حقق ليزر زيوس طاقة قصوى تبلغ 2 بيتاواط، أي ضعف إنتاج أجهزة الليزر الأخرى في الولايات المتحدة. وعلى الرغم من أن الانفجار كان أقوى بأكثر من 100 مرة من الإجمالي العالمي واستمر لمدة 25 كوادريليون من الثانية فقط، إلا أنه كان يمثل معلمًا رئيسيًا في القدرات البحثية الأمريكية.
وقال كارل كروشيلنيك، مدير مركز جيرار مورود للعلوم البصرية فائقة السرعة، موطن شركة ZEUS: "يمثل هذا الإنجاز بداية رحلة إلى منطقة مجهولة للتجارب العلمية الأمريكية عالية المجال". وقالت الجامعة إن المنشأة التي تبلغ تكلفتها 16 مليون دولار تمثل "قيمة كبيرة مقابل المال" بالنظر إلى حجمها وإمكاناتها.
يتم دعم ZEUS من قبل مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) ويعمل كمرفق للمستخدم، ويرحب بفرق البحث من جميع أنحاء الولايات المتحدة وحول العالم. يتم اختيار المقترحات التجريبية من خلال عملية مراجعة مستقلة للتأكد من استخدام أداء الليزر الخاص بها في الأبحاث العلمية الواعدة. من المتوقع أن تؤدي الأبحاث التي تجريها ZEUS إلى تعزيز التقدم في مجالات مثل الطب والأمن القومي وعلوم المواد والفيزياء الفلكية وعلوم البلازما وفيزياء الكم.
تم إنشاء نظام ZEUS بشكل أساسي من مكونات متاحة تجاريًا ويتضمن تقنيات متقدمة، بما في ذلك مكبرات الصوت النبضية المزدوجة والمرشحات الصوتية الضوئية القابلة للبرمجة، للحفاظ على عرض النطاق الترددي الدقيق والمرحلة المطلوبة للنبضات القصيرة جدًا وعالية الطاقة. يمكن لليزر أن يصدر نبضات مضغوطة تصل مدتها إلى 20 فيمتو ثانية، مما يتيح إجراء مجموعة متنوعة من التجارب المتطورة.
يقع ZEUS في مساحة بحجم صالة للألعاب الرياضية بالمدرسة تقريبًا، ويضم ثلاث مناطق مستهدفة متميزة، كل منها مخصص لتطبيق بحثي محدد. تم تصميم المنطقة المستهدفة 2 للتجارب التي تتضمن أهدافًا صلبة وتسريع الأيونات، بينما تم تحسين المنطقة المستهدفة 3 لتسريع حقول المخر بالليزر ويمكنها قياس طاقات الإلكترون حتى 5 جيجا إلكترون فولت تقريبًا.
إن قدرة الجهاز على تقسيم الشعاع تسمح له بتحقيق كثافة أكبر بمليون مرة من شعاع واحد، مما يسمح بدراسة الظواهر المتطرفة مثل هياكل الفراغ الكمومي وإنشاء أزواج المادة والمادة المضادة من الفضاء الفارغ.
قال فرانكلين دولار، الأستاذ في جامعة كاليفورنيا في إيرفاين، والذي يقوم فريقه بإجراء أول تجربة للمستخدم باستخدام 2 بيتاوات: "أحد الأشياء الرائعة في ZEUS هو أنها ليست مجرد مطرقة ليزر كبيرة، ولكنها يمكنها تقسيم الضوء إلى أشعة متعددة".
المنطقة المستهدفة 1، حيث سيتم إجراء أول تجربتين للمستخدم بقدرة بيتاواط.
يعمل فريق دولار مع العلماء في ZEUS لإنشاء حزم إلكترونية ذات طاقات مماثلة لتلك التي تنتجها مسرعات الجسيمات التي يبلغ طولها مئات الأمتار. هدفهم هو تحقيق طاقات إلكترونية أعلى بـ 5 إلى 10 مرات مما حققته ZEUS سابقًا.
يوضح أناتولي ماكسيمشوك، عالم الأبحاث في جامعة ميشيغان الذي قاد عملية تطوير المنطقة التجريبية: "كان الهدف هو الوصول إلى طاقات إلكترونية أعلى باستخدام شعاعي ليزر منفصلين - أحدهما لتشكيل قناة التوجيه والآخر لتسريع الإلكترونات عبر القناة".
ولتحقيق هذا الهدف، أعاد الباحثون تصميم الهدف وقاموا بإطالة التجويف الذي يحمل الهيليوم. عندما تضرب نبضة ليزر الهيليوم، يتم تجريد الإلكترونات من الذرات، وتشكل بلازما تحول الهيليوم إلى خليط من الإلكترونات الحرة والأيونات الموجبة الشحنة. يتم بعد ذلك تسريع الإلكترونات في أعقاب نبضة الليزر، وهي عملية تسمى تسارع حقل المخر. نظرًا لأن الضوء ينتقل بشكل أبطأ في البلازما، يمكن للإلكترونات اللحاق بالنبض وركوبه، واكتساب المزيد من الطاقة عبر مسافات أطول في هدف ممتد أقل كثافة.
يعد هذا العرض لقوة ZEUS بمثابة مقدمة لتجربة المنشأة المميزة، والتي من المتوقع إجراؤها في وقت لاحق من هذا العام. في هذه التجربة، تصطدم الإلكترونات المتسارعة بنبضات ليزر تسير في الاتجاه المعاكس. في الإطار المرجعي الإلكتروني، ستكون نبضة ليزر بقوة 3 بيتاوات أقوى بمليون مرة من الإلكترون - حيث تصل إلى مستوى نبض زيفا - ومن هنا الاسم الكامل لـ ZEUS: "نظام نبض الليزر الفائق القصر المكافئ لـ Zeva".
وقال فياتشيسلاف لوكين، مدير برنامج قسم الفيزياء بمؤسسة العلوم الوطنية، إن الفوائد المحتملة لـ ZEUS تمتد إلى ما هو أبعد من الفيزياء وستؤثر أيضًا على التقدم في الرعاية الصحية والتكنولوجيا والتنمية الاقتصادية. وقال: "إن الأبحاث الأساسية التي يتم إجراؤها في منشأة NSF ZEUS لديها القدرة على مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك تحسين طرق تصوير الأنسجة الرخوة والتقنيات المتقدمة لعلاج السرطان والأمراض الأخرى".
قد تساعد تجارب زيوس أيضًا في تفسير الظواهر الفيزيائية الفلكية مثل نفثات البوزيترون للثقوب السوداء وانفجارات أشعة جاما، مما يربط العلوم المخبرية ببعض الأحداث الأكثر غموضًا في الكون.
لم تكن الرحلة لتحقيق 2 واط سلسة. استغرق شراء بلورة الياقوت المطلية بالتيتانيوم والتي يبلغ قطرها 7 بوصات تقريبًا والمطلوبة للمضخم النهائي عدة سنوات. وقال فرانكو باير، مدير مشروع ZEUS: "إن البلورة التي نحن على وشك الحصول عليها في الصيف ستسمح لنا بالوصول إلى 3 بيتاواط من الطاقة، وقد استغرق تصنيعها أربع سنوات ونصف". "ليس لدينا سوى عدد قليل من بلورات الياقوت التيتانيوم بهذا الحجم في العالم."
كما أن الانتقال من ليزر HERCULES بقدرة 300 تيراواط إلى نظام ZEUS بقدرة 1 بيتاواط قد شكّل أيضًا بعض التحديات التقنية. يُعزى التعتيم غير المتوقع لشبك الحيود إلى رواسب الكربون التي تشكلت عندما تفاعل الشعاع المكثف مع الجزيئات المتبقية في الغرفة المفرغة. وضع الفريق حدود التشغيل الآمنة لمنع المزيد من الأضرار.
منذ إطلاقه في أكتوبر 2023، أجرى ZEUS 11 تجربة شارك فيها 58 باحثًا من 22 مؤسسة، بما في ذلك مشاركين دوليين. نموذج المستخدم للمنشأة مشابه لنموذج مراكز الأبحاث الكبرى الأخرى، مثل LCLS-II التابع لمختبر التسريع الوطني SLAC، وقد اجتذب تعاونًا عالميًا.