Cómo funciona ZEUS, el láser que en un destello concentra más de 100 veces la energía global

ZEUS, el láser más potente de Estados Unidos, alcanzó una potencia de 2 petavatios en su primer experimento oficial, realizado en la Universidad de Michigan. Este disparo, que supera ampliamente a cualquier otro láser del país, representa un avance sin precedentes en la investigación científica y tecnológica, según informó Popular Science.

La magnitud del logro no solo radica en la cifra alcanzada, sino en el potencial que abre para aplicaciones en medicina, seguridad, ciencia de materiales y astrofísica.

Un salto técnico: ZEUS y la magnitud del disparo

El sistema ZEUS (Zettawatt-Equivalent Ultrashort pulse laser System) duplicó la potencia máxima de cualquier otro láser en Estados Unidos, superando al anterior sistema HERCULES, que alcanzaba los 300 teravatios.

De acuerdo con la Universidad de Michigan, el disparo de 2 petavatios equivale a más de 100 veces la producción eléctrica global, aunque esta potencia solo se mantiene durante un abrir y cerrar de ojos, el impacto de su breve duración es impresionante. El ZEUS, que ocupa un espacio similar al de un gimnasio escolar, se convirtió en la referencia nacional en tecnología láser de alta intensidad.

Karl Krushelnick, director del Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science, destacó la importancia de este avance: “Este hito marca el inicio de experimentos que se adentran en territorio inexplorado para la ciencia estadounidense de campos intensos”, según retomó la Universidad de Michigan.

Detalles del experimento inaugural

El primer experimento oficial de ZEUS consistió en disparar un pulso láser sobre una célula que contenía helio. Esta interacción arrancó electrones de los átomos de helio, generando un plasma compuesto por iones positivos y electrones libres.

Los electrones, al quedar detrás del pulso láser, comenzaron a acelerarse en un fenómeno conocido como “wakefield acceleration“.

En el plasma, la luz se desplaza más lentamente, lo que permite que los electrones alcancen y superen la velocidad del propio pulso láser, logrando así energías elevadas en un espacio relativamente reducido.

Anatoly Maksimchuk, científico de la Universidad de Michigan encargado del desarrollo de las áreas experimentales, explicó que el objetivo es alcanzar energías de electrones comparables a las obtenidas en aceleradores de partículas de cientos de metros, pero en una instalación mucho más compacta y eficiente.

Próximos pasos: hacia los 3 petavatios y el “zettawatt-equivalent”

El experimento realizado es solo el primer paso en el programa de ZEUS. Para finales de este año está previsto un experimento clave en el que los electrones acelerados colisionarán con pulsos láser provenientes de la dirección opuesta.

Según Popular Science, este proceso hará que un láser de 3 petavatios aparente ser un millón de veces más potente, alcanzando así el concepto de “zettawatt-equivalent” que da nombre al sistema.

Franko Bayer, responsable de proyecto en ZEUS, señaló que la llegada de un nuevo cristal de titanio-safiro, prevista para el verano boreal, permitirá alcanzar la potencia de 3 petavatios. “El cristal que recibiremos en verano nos permitirá llegar a los 3 petavatios, y tardó cuatro años y medio en fabricarse”, afirmó a la universidad.

Aplicaciones potenciales en ciencia y tecnología

La investigación, financiada por la National Science Foundation (NSF), tiene aplicaciones potenciales en diversos campos. Vyacheslav Lukin, director de programa en la División de Física de la NSF, subrayó: “La investigación fundamental en ZEUS tiene muchas aplicaciones posibles, incluyendo mejores métodos de imagen para tejidos blandos y avances en el tratamiento del cáncer y otras enfermedades”.

Además, los experimentos podrían ayudar a comprender fenómenos astrofísicos como los chorros de positrones que emergen de los agujeros negros y los estallidos de rayos gamma.

Franklin Dollar, profesor de física y astronomía en la Universidad de California, Irvine, y responsable del primer experimento de usuario en ZEUS, destacó la versatilidad del sistema: “Una de las grandes ventajas de ZEUS es que no es solo un gran martillo láser, sino que se puede dividir la luz en varios haces”.

Ingeniería avanzada y retos técnicos

El funcionamiento de ZEUS se basa en tecnología óptica de vanguardia y en componentes clave como el cristal de titanio-safiro, de casi 18 centímetros de diámetro, que es fundamental para amplificar el pulso láser hasta alcanzar la máxima potencia.

El sistema utiliza dispositivos ópticos denominados “rejillas de difracción” para estirar el pulso inicial de luz infrarroja, evitando que la intensidad sea tan alta que destruya el aire circundante. Tras varias etapas de amplificación, el pulso se comprime hasta alcanzar un grosor de apenas 8 micrómetros y se enfoca a menos de 1 micrómetro de ancho para maximizar la intensidad en el punto de impacto.

El proceso de construcción y calibración enfrentó desafíos, como la obtención de componentes únicos y la gestión de depósitos de carbono en las ópticas, que pueden afectar la calidad del haz. John Nees, científico de la Universidad de Michigan y líder de la construcción del láser, explicó: “Como instalación de tamaño medio, podemos operar con más agilidad que grandes instalaciones como aceleradores de partículas”.

El coste total de construcción de ZEUS ascendió a 16 millones de dólares, una cifra que la Universidad de Michigan calificó como una “ganga” en comparación con otras infraestructuras científicas de gran escala, según detalló Popular Science.

Modelo de acceso y colaboración internacional

ZEUS funciona como una instalación de usuario, lo que significa que equipos de investigación tanto nacionales como internacionales pueden presentar propuestas de experimentos, las cuales son evaluadas mediante un proceso independiente de selección.

Desde su apertura en octubre de 2023, ZEUS acogió 11 experimentos con la participación de 58 investigadores de 22 instituciones, incluyendo grupos internacionales. Esta política de acceso abierto busca fomentar la colaboración y atraer nuevas ideas a la comunidad científica.

Franklin Dollar concluyó, en diálogo con Popular Science, la importancia de este modelo: “Tener un recurso nacional como este, que asigna tiempo a los usuarios con conceptos experimentales prometedores para avanzar en las prioridades científicas, realmente está devolviendo la ciencia de láseres de alta intensidad a Estados Unidos”.