Verrückte Wissenschaft: Wie man einen Gamma-Ray Laser mit Antimaterie zu bauen

Gamma-Ray Laser angetrieben durch eine exotische Mischung aus Materie und Antimaterie klingt wie Science Fiction, aber Wissenschaftler sind jetzt einen Schritt näher, es zu tun.

Während die Wellenlängen von herkömmlichen Lasern den Gamut von Infrarot für Röntgenstrahlen laufen, stützt sich ein Gamma-Ray Laser auf Lichtwellen sogar kleiner als Röntgenstrahlen. Beispielsweise würde die Antimaterie-powered Laser Licht mit Wellenlängen ein Tausendstel die Größe des heutigen x-ray Laser, wodurch es unglaublich kleine Räumen zu untersuchen und es nützlich in medical imaging-Technologie produzieren.

In der neuen Forschung, Wang Yi Hsieh, Brandon Anderson und Charles W. Clark, alle von der University of Maryland gemeinsame Quantum Institut detailliert wie eine besondere Art von Materie-Antimaterie-Mischung namens Orthopositronium als Verstärkungsmedium, das Material, die gewöhnliche Licht verwandelt sich in einen Laserstrahl funktionieren würde.

Fanden sie, dass, wenn eine bestimmte Menge an Energie für Orthopositronium vorgesehen war, würde es Laser-Licht machen, aber bei anderen Energien, es wäre nicht. Darüber hinaus fanden die Forscher, dass die Orthopositronium in einem Zustand ein Bose-Einstein-Kondensats genannt werden, oder eine seltsame gashaltigen Stand, gekühlt um einen Laserstrahl zu schaffen. [Verrückte Physik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

Das Laserlicht erzeugt, hängt davon ab, wie viel Energie in die Orthopositronium durch einen Ausbruch von infrarotem Licht genommen wird; nur Energien in einen bestimmten Bereich produzieren die erkennbare Wirkung, sagte Clark.

"Denken Sie an ein tuning-Regler [von niedriger bis hoher Energie," sagte Clark Live Science. "Unter, sagen wir, fünf sehen wir isotrop Emission von Gammastrahlung, in alle Richtungen gehen. Wenn Sie fünf übergeben, sehen plötzlich eine scharfe Trennlinie der Strahlung in zwei Richtungen Sie." Diese Linie – wirklich eine zigarrenförmige Explosion von Photonen – ist der Laser. Über die Energie gehen der Gamma-Strahlen gerade in alle Richtungen, mit keine lasing.

Dieser seltsame Effekt hat mit dem Wesen der Orthopositronium zu tun. Jede Orthopositronium "Atom" ist eigentlich ein gewöhnlicher Elektron und ein Positron oder das Antimaterie-Äquivalent eines Elektrons. Elektronen sind negativ geladen, während Positronen positiv geladen sind. Wenn die beiden berühren, sie zu vernichten und zwei Photonen – Licht – bei hohen Energien im Bereich von Gamma-Ray, in entgegengesetzte Richtungen bewegen.

Manchmal können ein Elektron und ein Positron Ende drehen umeinander, ähnlich wie die Art und Weise Elektronen Umlaufbahn Protonen um Atome zu machen. Positronen sind jedoch wesentlich leichter als Protonen, so Orthopositronium ist nicht stabil – und innerhalb von weniger als ein Milliardstel einer Sekunde, die Elektronen und Positronen kollidieren und gegenseitig zu vernichten.

Um einen Gamma-Ray Laser zu machen, müssten Wissenschaftler das Orthopositronium wirklich kalt machen – nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 460 Grad Fahrenheit oder minus 273 Grad Celsius). Dass kühlen Prozess verwandelt sich das Orthopositronium in einen Zustand der Materie ein Bose-Einstein-Kondensats, in welche alle Atome genannt – oder in diesem Fall, Elektron-Positron-Paare – geben Sie den gleichen Quantenzustand, im Wesentlichen als ein einzelnes supersized Atom. [Science Fakt oder Fiktion? Die Realität der 10 Sci-Fi-Konzepte]

Ein Aspekt der Quantenzustand ist Spin, die minus 1/2 oder 1/2 nummeriert ist. Das Orthopositronium müssen die Spins (von Elektron und Positron) bis zu 1 oder 0 hinzufügen. Wenn sie bis zu 1 hinzufügen, dauert das Orthopositronium einen Bruchteil von einer Nanosekunde länger, um sich selbst zu vernichten. In, dass etwas von einer Sekunde setzt sich das Bose-Einstein-Kondensat weitgehend aus Spin-1 Orthopositronium.

Ein Lichtimpuls mit Fern-Infrarot-Wellenlängen können die Orthopositronium in Spin-0. Die Spin-0 Orthopositronium selbst vernichtet und erzeugt die bidirektionale Strahl des kohärenten Gammastrahlen-Laser. Dies funktioniert, weil alle die Orthopositronium "Atome" verfügen über die gleiche Anzahl von Spin. Gäbe es eine zufällige Ansammlung von Spin-0 und Spin-1 Orthopositronium, würde nur das Licht in alle Richtungen streuen.

Die Forscher fanden auch heraus, genau wie viele Atome Orthopositronium nötig wäre, um einen Gamma-Ray Laser arbeiten machen: etwa 10 bis 18thpower Atome pro Kubikzentimeter sind notwendig, um das Kondensat zu machen. Das klingt nach viel, aber es ist ein Bruchteil der Dichte der Luft, die etwa 2,5 x 10, 19. macht Atome in das gleiche Volumen hat.

Allen P. Mills und die späten Philip Platzmann dann von Bell Labs, schlug zuerst solchen Gamma-Ray Laser im Jahr 1994, als die beiden bei den Bell Labs waren. Mühlen, sagte, dass durch die Arbeit der Mathematik, Wang, Anderson und Clark waren in der Lage zu verengen die Bedingungen unter denen eine solche Laser gebaut werden konnte.

"Außer dem geben uns eines Einblick in was für ein praktisches Gerät erforderlich sein wird, wenn es jemals versucht wird, einschließlich Details der [Hochfrequenz] Puls Struktur, die benötigt werden würde... dieses Papier stellt die faszinierende Physik, die untersucht werden, die mit einem [Bose-Einstein-Kondensat]," Mühlen, derzeit Professor für Physik und Astronomie an der University of California, Riverside, schrieb in einer e-Mail an Leben Wissenschaft.

Das neue Werk ist in der Zeitschrift Physical Review A. detailliert.

Folgen Sie uns @livescience , Facebook & Google + .