Laser ultra-potenti: Oxford crea la luce più intensa mai generata

C’è un paradosso nella fisica dei laser che dura da oltre due decenni: la teoria promette intensità luminose enormi, gli esperimenti si fermano molto prima. Un team di Oxford, Queen’s University Belfast e Central Laser Facility ha appena chiuso la forbice. Usando il laser Gemini del Rutherford Appleton Laboratory hanno sparato impulsi ultraveloci contro una nube di plasma e ottenuto quello che i simulatori prevedevano da anni: un’amplificazione efficiente della luce, compressa nel tempo e nello spazio fino a livelli che sfiorano il vuoto quantistico. Dicono di aver creato la sorgente di luce coerente più intensa mai realizzata in laboratorio. Sottolineo: dicono, perché la conferma finale arriverà con i prossimi esperimenti. Ma lo studio è su Nature, e su Nature non ci si arriva con le chiacchiere.

Lo specchio che corre verso di te

Il meccanismo fisico è, raccontato a voce, quasi elegante. Prendi un laser già potente. Lo punti su una nube di particelle cariche (il plasma, il quarto stato della materia) e lo usi in un modo che sembra un trucco: le oscillazioni indotte dal laser fanno sì che la superficie del plasma si comporti come uno specchio in movimento relativistico. Uno specchio che si precipita verso la sorgente della luce a velocità prossime a quella della luce stessa.

Quando la luce rimbalza su quello specchio, non perde energia: la guadagna. È lo stesso principio (rovesciato) per cui il tono della sirena di un’ambulanza sale mentre si avvicina e scende quando si allontana. Qui la “sirena” è la luce laser, e l’ambulanza accelera fino a diventare un oggetto relativistico. L’effetto si chiama “generazione di armoniche relativistiche” e non è nuovo. La novità è averlo fatto bene.

E l’efficienza?

Ecco il punto. Le simulazioni degli anni passati prevedevano che quando lo specchio di plasma riflette la luce, l’energia del laser potesse essere convertita in armoniche di ordine superiore con un’efficienza decisamente alta. In laboratorio, invece, si otteneva un frazione di quella resa. Un mistero che ha frustrato il settore per oltre vent’anni: parole del professor Brendan Dromey della Queen’s University Belfast, coautore dello studio.

Il team guidato da Robin Timmis (Oxford) e Peter Norreys (Oxford), insieme a Mark Yeung e Dromey, ha capito dove fosse il trucco: il profilo temporale dell’impulso laser. Intervenendo su scale di tempo sub-picosecondo (meno di 10⁻¹² secondi, per intenderci: un milionesimo di milionesimo di secondo), sono riusciti a trasferire fra i 9 e i 12 millijoule di energia nelle armoniche comprese tra la dodicesima e la quarantasettesima. Numeri che finalmente coincidono con quelli delle simulazioni. Banale a dirsi, decenni a farsi.

La lente d’ingrandimento quantistica

Il secondo ingrediente dei laser ultra-potenti è quello che gli autori chiamano Focalizzazione Armonica Coerente (CHF). Se l’effetto specchio-relativistico comprime e amplifica la luce, la CHF la concentra. Funziona, a grandi linee, come la lente che i ragazzini usano (usavano?) d’estate per bruciare le formiche: concentra la luce solare in un punto piccolo abbastanza da accendere la carta. Solo che qui, al posto del sole, abbiamo un fascio di armoniche ultraviolette coerenti. E al posto della carta, c’è il vuoto.

Il risultato è una concentrazione di energia che, a detta di Timmis e del team, simula campi elettromagnetici estremi. Abbastanza estremi, in teoria, da far emergere coppie elettrone-positrone dal vuoto stesso: un fenomeno previsto dall’elettrodinamica quantistica (QED) ma mai osservato direttamente in laboratorio. Generare materia dalla luce. Non è il titolo di un film di Nolan, è il passo successivo che dichiarano di voler tentare.

A cosa servono, davvero, questi laser ultra-potenti

Qui il racconto si fa interessante e, diciamolo, un po’ scivoloso. Le applicazioni citate nel comunicato sono tre, e vale la pena guardarle da vicino.

Fisica fondamentale. Studiare direttamente il vuoto quantistico è un obiettivo che gira dagli anni ’30. Finora ci siamo arrivati facendo collidere particelle accelerate con laser potenti, un esperimento che Timmis paragona a “capire un incidente d’auto passando da una telecamera all’altra”. Con i laser ultra-potenti ottenuti con questo metodo, l’interazione avverrebbe tutta dentro il sistema: una telecamera sola, un’inquadratura ferma. Più facile da leggere, più pulita da interpretare. La fusione laser è il secondo capitolo: serve innescare le capsule di combustibile in modo più efficiente, e intensità maggiori aiutano. Qui si può ancora parlare di ricerca civile.

E poi c’è la terza applicazione. Il comunicato ufficiale dell’Università di Oxford la mette lì, in coda: “laser antimissile ancora più efficaci, simili a quelli impiegati nel sistema israeliano Iron Beam“. Che già oggi brucia le ali ai droni a 10 km di distanza con 100 kilowatt. Cosa succede quando quei 100 kW diventano mille, diecimila, un milione? La risposta ufficiale è: “difesa”. La risposta meno ufficiale la leggete ogni giorno sui giornali.

Se i laser ultra-potenti finissero su una torretta: l’ipotesi seria

Proviamo a fare un esercizio onesto. Le armi laser operative oggi stanno in una forchetta piuttosto stretta: l’Iron Beam israeliano opera a 100 kilowatt, l’HELIOS americano imbarcato sulle navi della US Navy sta sui 60 kW, il sistema DragonFire britannico sfiora i 50 kW. Rafael sta sviluppando versioni da 300 kW con Lockheed Martin. Sono laser a onda continua che funzionano a base di tempo: devono tenere il raggio sul bersaglio per alcuni secondi perché il calore lavori. Bruciano le ali di un drone, accecano un sensore ottico, fondono il naso di un razzo non guidato. Ottimi contro sciami low-cost, inutili contro un missile ipersonico che passa in un istante.

Il metodo Timmis-Norreys lavora su un regime completamente diverso. Non produce onde continue: produce impulsi ultracorti, con intensità di picco che, stando alle simulazioni del gruppo, supererebbe di molti ordini di grandezza quella del laser di innesco. Concretamente: il Gemini oggi consegna circa 500 TW di picco (500.000 miliardi di watt), ma per una frazione di tempo ridicolmente breve. Applicato su strutture più grandi (ELI in Repubblica Ceca arriva a 10 petawatt, la Shanghai SG-II punta a 100) la tecnica di focalizzazione coerente porterebbe le intensità effettive sul bersaglio oltre 10²⁵ watt per centimetro quadrato, una soglia che oggi nessun sistema operativo si sogna.

Il tipo di danno cambia natura, non solo scala. Un laser continuo da 100 kW scioglie la superficie di un bersaglio: è essenzialmente una saldatrice molto a distanza. Un impulso da 10²⁵ W/cm² non “brucia” niente nel senso classico: ionizza istantaneamente qualsiasi cosa incontri, trasformandola in plasma prima che le molecole abbiano il tempo di espandersi. È quello che in letteratura militare si chiama effetto ablativo puro: il materiale non fonde, evapora. Un missile in arrivo verrebbe disintegrato in un singolo impulso di pochi femtosecondi, non “scaldato fino a cedere”. Il tempo di ingaggio scenderebbe da “alcuni secondi” a “un lampo”. Gli sciami ipersonici, che oggi saturano le difese proprio grazie alla velocità, diventerebbero gestibili.

Mettiamoci le virgole giuste, però. Un’arma del genere oggi non esiste e per diverse ragioni (forse) non è neanche dietro l’angolo: le infrastrutture che reggono queste intensità sono edifici grandi come stadi, consumano MW di rete elettrica, richiedono ore di raffreddamento fra uno sparo e l’altro. Miniaturizzare un petawatt su una torretta navale è fantascienza ingegneristica, non c’è prezzo per una roba del genere. Però. La storia dei laser militari è tutta una storia di compressione progressiva: il primo sistema antimissile USA, negli anni ’80, occupava un Boeing 747 modificato. Oggi un sistema comparabile sta su un camion. Vent’anni fa nessuno avrebbe scommesso su Iron Beam operativo. Il salto da “Gemini in laboratorio” a “qualcosa montabile su una nave” è enormemente più grande, ma la direzione è tracciata: e i budget militari occidentali, negli ultimi tre anni, hanno riscoperto l’amore per il settore.

La fisica che non chiede permesso

Il professor Dromey, nel commentare lo studio, ha definito il lavoro “una fusione di tecnologia laser, fisica del plasma e scienza dei materiali ultrarapidi”. Riassumendo con onestà mezzo secolo di compromessi del settore: la stessa macchina che aiuta a capire le leggi più profonde dell’universo è anche quella che può finire sul ponte di una fregata. La fisica non sceglie.

“Le simulazioni suggeriscono che potremmo aver creato la sorgente di luce coerente più intensa mai realizzata. Spero che avremo presto l’opportunità di tornare a Gemini per confermarlo, ma anche per applicare quanto appreso a strutture più grandi dove potremo generare una luce ancora più brillante.”

— Robin Timmis, autore principale

“Strutture più grandi” è l’espressione da tenere d’occhio. Gemini è potente, ma è un laboratorio nazionale britannico. La prossima generazione di infrastrutture (ELI in Repubblica Ceca, Apollon in Francia, SG-II in Cina, NIF negli Stati Uniti) ha zeri in più sulla potenza di picco. Applicare il metodo Timmis-Norreys là dentro significa, potenzialmente, spingersi dove la fisica dei laser non è mai arrivata.

E qui c’è il punto che, un po’ per deformazione professionale, mi fermo a guardare. Da oltre vent’anni sappiamo che la teoria diceva una cosa e il laboratorio un’altra. Per vent’anni nessuno aveva capito perché. Ora sì. Capire perché qualcosa non funzionava è, in fondo, il mestiere che distingue la scienza dal marketing. Il resto (le armi, l’energia, il vuoto quantistico che sputa particelle) viene dopo. Sempre dopo. Ed è sempre la parte in cui le decisioni smettono di essere tecniche.

Insomma: il team di Timmis ha tolto un tappo che resisteva da due decenni. Cosa ci verserà dentro l’umanità è un’altra storia, e non la scrivono nei laboratori di Didcot.