馴服宇宙最強大的光,γ 射線雷射技術離成真更進一步

作者 | 發布日期 2019 年 12 月 09 日 18:27 | 分類 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly


我們似乎更接近新一代強大雷射技術的問世目標了。加州大學河濱分校團隊最新理論計算表明,產生伽瑪射線的大前提「正子電子偶」可以在液態氦中維持穩定狀態,進而簡化製造伽瑪射線雷射儀器的步驟,這種強大設備能用於太空探測器推進、先進醫學成像和癌症治療等領域。

伽瑪射線是原子衰變裂解時產生的射線之一,是宇宙最高能的輻射,穿透力極強,利用這些高能光子可以開發下一代新興技術,比如太空船推進系統、醫學成像等。

而人為產生伽瑪射線需要操縱正子電子偶(positronium)──一種由電子和正電子組成的短壽「原子」(物質和反物質組成的亞穩定束縛態)。為了產生伽瑪射線束,正子電子偶需處於玻色–愛因斯坦凝態(Bose–Einstein condensate,BEC),全部原子都聚集到能量最低的量子態,彼此相互作用而產生伽瑪射線光子。

然而玻色–愛因斯坦凝態這種物質狀態,需要利用雷射冷卻技術將物質降溫至接近絕對零度才會出現,可以說未來幾年內相關技術都還不太穩定;就算技術成形,設備也會占據相當龐大的空間。

不過加州大學河濱分校天文物理學家 Allen Mills 團隊的最新計算表明,充滿百萬個正子電子偶的空心氣泡可以在液態氦中維持穩定,其密度為空氣 6 倍,且以玻色–愛因斯坦凝態狀態存在,可能因此簡化新一代伽瑪射線雷射(Gamma-ray laser)設備。

氦是宇宙中含量第二高的元素,一般情況下為無色、無臭、無味的惰性單原子氣體,但在極低溫度下會轉變為液態形式,且會排斥正子電子偶而在內部形成氣泡,這些氣泡可作為玻色–愛因斯坦凝態的來源。

該團隊近期實驗觀察到正電子穿過石墨烯片的隧穿效應,這對包括氦在內的所有普通物質來說,原本是不可能的現象;在液態氦的微小氣泡內,保持穩定的正子電子偶是產生 γ 射線雷射的前提條件,如今理論已出現,接下來就要開始驗證了。

新論文發表在《物理評論 A》(Physical Review A)期刊。

(首圖來源:Inductiveload [Public domain], via Wikimedia Commons