Com a conclusão bem sucedida da primeira experiência de 2 petawatts, a ZEUS está preparada para ultrapassar os limites da ciência de alto campo e fornecer aos investigadores novas ferramentas poderosas para facilitar a exploração e a inovação. A equipe continua atualizando o sistema e se esforçando para atingir sua capacidade máxima, enquanto os experimentos com usuários já estão em andamento.

O Zeus Laser Facility da Universidade de Michigan catapulta os Estados Unidos para a vanguarda da ciência do laser de alta intensidade. Em seu primeiro experimento formal, o laser ZEUS atingiu uma potência máxima de 2 petawatts, o dobro da produção de outros lasers nos Estados Unidos. Embora a explosão tenha sido 100 vezes mais poderosa do que o total global e tenha durado apenas 25 quatrilionésimos de segundo, representou um marco importante nas capacidades de investigação dos EUA.

“Este marco marca o início de uma jornada em território desconhecido para experimentos científicos de alto campo nos EUA”, disse Karl Krushelnik, diretor do Centro Gérard Mouroud para Ciência Óptica Ultrarrápida, sede do ZEUS. A universidade disse que a instalação de US$ 16 milhões tem uma “ótima relação custo-benefício”, dado seu tamanho e potencial.

ZEUS é apoiado pela National Science Foundation (NSF) e opera como uma instalação de usuários, recebendo equipes de pesquisa de todos os Estados Unidos e de todo o mundo. As propostas experimentais são selecionadas através de um processo de revisão independente para garantir que o desempenho de seus lasers seja utilizado nas pesquisas científicas mais promissoras. Espera-se que a pesquisa conduzida pela ZEUS promova avanços em áreas como medicina, segurança nacional, ciência dos materiais, astrofísica, ciência do plasma e física quântica.

O sistema ZEUS é construído principalmente a partir de componentes disponíveis comercialmente e incorpora tecnologias avançadas, incluindo amplificadores de pulso duplos e filtros acústico-ópticos programáveis, para manter a largura de banda e a fase precisas necessárias para pulsos ultracurtos e de alta potência. O laser pode produzir pulsos comprimidos de até 20 femtossegundos, permitindo uma variedade de experimentos de ponta.

Instalado em um espaço aproximadamente do tamanho de um ginásio escolar, o ZEUS abriga três áreas-alvo distintas, cada uma personalizada para uma aplicação de pesquisa específica. A Target Region 2 foi projetada para experimentos envolvendo alvos sólidos e aceleração de íons, enquanto a Target Region 3 é otimizada para aceleração de wakefield a laser e pode medir energias de elétrons de até aproximadamente 5 GeV.

A capacidade do dispositivo de dividir um feixe permite atingir uma intensidade um milhão de vezes maior do que um único feixe, permitindo o estudo de fenômenos extremos, como estruturas quânticas de vácuo e a criação de pares matéria-antimatéria a partir do espaço vazio.

“Uma das melhores coisas sobre o ZEUS é que ele não é apenas um grande martelo laser, mas pode dividir a luz em múltiplos feixes”, disse Franklin Dollar, professor da Universidade da Califórnia, em Irvine, cuja equipe está conduzindo o primeiro experimento de usuário com 2 petawatts.

Área alvo 1, onde ocorrerão os primeiros experimentos de usuários de 2 petawatts.

A equipe de Dollar está trabalhando com cientistas da ZEUS para criar feixes de elétrons com energias comparáveis ​​às produzidas por aceleradores de partículas com centenas de metros de comprimento. O seu objectivo é atingir energias electrónicas 5 a 10 vezes superiores às que o ZEUS conseguiu anteriormente.

“O objetivo era alcançar energias eletrônicas mais altas usando dois feixes de laser separados – um para formar o canal guia e outro para acelerar os elétrons através do canal”, explica Anatoly Maksimchuk, cientista pesquisador da Universidade de Michigan que liderou o desenvolvimento da área experimental.

Para atingir esse objetivo, os pesquisadores redesenharam o alvo e alongaram a cavidade que contém o hélio. Quando um pulso de laser atinge o hélio, os elétrons são retirados dos átomos, formando um plasma que converte o hélio em uma mistura de elétrons livres e íons carregados positivamente. Os elétrons são então acelerados na sequência do pulso de laser, um processo chamado aceleração de wakefield. Como a luz viaja mais lentamente em um plasma, os elétrons podem acompanhar e acompanhar o pulso, ganhando mais energia em distâncias mais longas em um alvo estendido e menos denso.

Esta demonstração do poder do ZEUS é um prelúdio para o experimento característico da instalação, que deverá ocorrer ainda este ano. Neste experimento, elétrons acelerados colidem com pulsos de laser que viajam na direção oposta. No quadro de referência eletrônico, um pulso de laser de 3 petawatts seria um milhão de vezes mais poderoso que um elétron – atingindo um pulso de nível Ziva – daí o nome completo de ZEUS: “Zeva Equivalent Ultrashort Laser Pulse System”.

Vyacheslav Lukin, diretor do programa da Divisão de Física da Fundação Nacional de Ciência, disse que os benefícios potenciais do ZEUS vão muito além da física e também terão impacto nos avanços nos cuidados de saúde, na tecnologia e no desenvolvimento económico. “A pesquisa básica conduzida nas instalações NSF ZEUS tem potencial para uma ampla gama de aplicações, incluindo a melhoria dos métodos de imagem de tecidos moles e o avanço das tecnologias para o tratamento do câncer e outras doenças”, disse ele.

As experiências do ZEUS também podem ajudar a explicar fenómenos astrofísicos, como os jatos de pósitrons dos buracos negros e as explosões de raios gama, ligando a ciência de laboratório a alguns dos eventos mais misteriosos do universo.

A jornada para atingir 2 watts não foi tranquila. O cristal de safira dopado com titânio de quase 7 polegadas de diâmetro necessário para o amplificador final levou vários anos para ser adquirido. “O cristal que estamos prestes a obter no verão nos permitirá atingir 3 petawatts de potência, e foram necessários quatro anos e meio para produzi-lo”, disse o gerente do projeto ZEUS, Franko Bayer. “Temos apenas um punhado de cristais de safira de titânio deste tamanho no mundo.”

A transição do laser HERCULES de 300 terawatts para o sistema de 1 petawatt da ZEUS também apresentou alguns desafios técnicos. O escurecimento inesperado da rede de difração foi atribuído a depósitos de carbono formados quando o feixe intenso interagiu com moléculas residuais na câmara de vácuo. A equipe estabeleceu limites operacionais seguros para evitar maiores danos.

Desde o seu lançamento em outubro de 2023, o ZEUS realizou 11 experimentos envolvendo 58 pesquisadores de 22 instituições, incluindo participantes internacionais. O modelo de usuário da instalação é semelhante ao de outros grandes centros de pesquisa, como o LCLS-II do SLAC National Accelerator Laboratory, e atraiu colaborações globais.