Cunoscut în mass media drept „cel mai puternic laser din lume”, centrul care se construieşte acum la Măgurele, la 10-11 km de centrul Bucureştiului, este mult mai mult decât atât. ELI-NP se autodefineşte ca „Infrastructura pentru lumină extremă” (Extreme Light Infrastructure) şi conţine, în realitate, două astfel de tipuri de surse de „lumină extremă”.
Primul tip este dat de Infrastructura laser, care este formată din doi laseri cu puterea finală de 10 petwatt fiecare (10 PW, adică zece milioane de miliarde de watt). Însă nu numai linia de putere maximă este importantă, deoarece laserii mai dezvoltă şi puteri mai mici (combinate cu rate de repetiţie mai importante), în anumite locuri de 1 PW, iar în alte locuri de 100 de terawatt (100 TW, adică „numai” o sută de mii de miliarde de watt).
Astfel, practic se pot face experimente cu 2 x 10 PW (cei doi laseri de mare putere fiind sincronizaţi), sau experimente separate cu câte 10 PW, iar în paralel se pot efectua experimente şi pe cele două ieşiri de 1 PW, sau pe cele două ieşiri de 100 TW. Astfel, vorbim de un ansamblu de 5-6 experimente care se pot desfăşura în paralel. În sensul acesta, nu va mai trebui să vorbim de „laserul de la Măgurele”, ci de „laserii de la Măgurele”.
Al doilea tip este infrastructura care produce radiaţii gama, bazată pe împrăştierea Compton inversă, pornindu-se de la un alt laser şi de la un accelerator de electroni. Fotonii produşi de laser se ciocnesc cu electronii relativişti, iar fotonii retro-împrăştiaţi au energie de zeci de milioane de ori mai ridicată decât fotonii iniţiali.
Astfel, se poate produce radiaţie gama de energie variabilă (variindu-se energia electronilor sau unghiul de împrăştiere), extrem de utilă pentru spectroscopia nucleară. Energia maximă a fotonilor gama va depăşi 10 MeV, fiind cu mult deasupra limitei de la care se produc separări în nuclee. Astfel, sunt propuse până în prezent câteva zeci de experimente diferite de fizică nucleară folosind această facilitate gama, în unele cazuri, de asemenea, combinată cu laserii de mare putere.
În mass media, de multe ori se afirmă pe tonul cel mai serios că „laserul de la Măgurele” va vindeca tumorile maligne sau că va rezolva problema deşeurilor nucleare, nemaivorbind de identificarea teroriştilor susceptibili să tranziteze ţara noastră cu material fisil (uraniu-235 sau plutoniu). Realitatea este că se vor efectua, fără îndoială, studii în această direcţie, dar nu ELI-NP va vindeca bolnavii de cancer sau va identifica teroriştii.
Folosindu-se un laser de mare putere, se pot accelera la energii relativiste protonii dintr-o ţintă solidă, ceea ce va oferi, la un moment dat, posibilitatea de a se propune soluţii de tipul „table-top accelerators” (adică acceleratori de dimensiuni şi costuri reduse) pentru protonterapie, de exemplu. ELI-NP va studia aceste lucruri, şi probabil că, din considerente de economie, va folosi mai degrabă sursele de 1 PW decât cele de 10 PW, cu scopul de a identifica în ce măsură se pot propune alternative la acceleratorii de protoni convenţionali, care echipează în prezent marile centre de radioterapie.
De asemenea, folosindu-se o tehnică de spectroscopie gama de mare contrast, se pot identifica tipurile de nuclee (inclusiv cele fisile), chiar dacă sunt ecranate cu un alt material impenetrabil la radiaţii, cum ar fi plumbul. O tehnică similară ar permite şi diagnosticarea reziduurilor nucleare încapsulate în conteinere, sau diagnosticarea materialului fisil (clivabil) din reactorii nucleari, inclusiv tomografierea acestuia, ceea ce ar permite o prelungire a duratei de viaţă de operare în condiţii de siguranţă maximă a reactorilor nucleari.
Însă, încă o dată, nimeni nu va aduce la ELI-NP deşeuri nucleare spre a fi neutralizate, nici terorişti cu bagajele lor pentru a fi scanaţi, şi cu atât mai puţin ar putea deplasa până la facilitatea de la Măgurele miezul unui reactor de la Cernavodă. ELI-NP îşi propune în primul rând să valideze aceste metode, apoi să propună soluţii mai economice pentru diagnosticarea dintr-o instalaţie mobilă (de exemplu, dintr-un autocamion) a conteinerelor care tranzitează un terminal, sau a conteinerelor care conţin material fisil, tot aşa, folosind un mijloc de transport (autocamion, vapor sau submarin, depinde unde sunt stocate acele conteinere).
Iar aici intră în joc ştiinţa materialelor. Ar trebui ca tuturor să ne fie destul de clar faptul că progresele din ultimele decenii din fizica nucleară n-ar fi fost posibile dacă nu erau asistate de „materialişti”. Pornind de la primele bombe atomice, trecând prin realizarea fisiunii nucleare controlate, a aplicaţiilor radioizotopilor în medicină şi culminând cu materiale extrem de refractare pentru realizarea reactorilor de fuziune termonucleară. Este nevoie de noi materiale pentru a asigura sustenabilitatea şi viitorul unei infrastructuri de tipul ELI-NP; de asemenea, această facilitate va fi, într-o anumită măsură, dedicată şi studiului materialelor.
Laserii care se vor folosi la ELI-NP sunt laseri cu corp solid. Există un anumit număr de provocări privind realizarea mediilor active laser, atât în ceea ce priveşte obţinerea de cristale de dimensiuni mari şi cu grad de puritate ridicat, cât şi a proprietăţilor lor radiante sau termice.
De asemenea, fasciculele laser vor trebui dirijate, comprimate în timp şi spaţiu, pentru a se obţine puterea dorită; iar aceasta se realizează folosindu-se elemente optice (oglinzi, reţele de difracţie) extrem de sofisticate. Nemaivorbind de problema obţinerii de ţinte de grosimi nanometrice auto-suportate, pentru iniţierea procesului de accelerare (dacă ţintele sunt prea groase, pur şi simplu radiaţia laser se disipează în ele şi nu se mai realizează efectul de „target normal sheath acceleration” sau de „radiation pressure acceleration”).
În condiţiile în care la un moment dat se va pune problema proiectării unui „table-top accelerator”, considerentele economice şi de reproductibilitate vor deveni, de asemenea, importante. Cu alte cuvinte, se va trece de la cercetarea fundamentală (identificarea de noi mecanisme) la cercetarea aplicativă (optimizarea parametrilor având în vedere raportul calitate / costuri).
Monocromatizarea radiaţiei gama la nivelul dorit pentru anumite experimente de spectroscopie nucleară, de asemenea, se va realiza folosindu-se cristale de mari dimensiuni şi grad de perfecţiune ridicat. După 2018-2020, de asemenea, se va pune problema actualizării (upgrade) acceleratorului de electroni, cel mai probabil folosindu-se tehnologii supraconductoare. Noi materiale vor trebui să fie dezvoltate şi pentru colimatorii radiaţiei gamma, dimpreună cu dispozitive micromecanice de acţionare.
Chiar şi producerea radiaţiei gama prin împrăştiere Compton este o problemă de fizica materialelor. Fasciculul laser se reflectă multiplu pe fiecare micro-pachet de electroni care, împreună, formează un macro-pachet (vezi Figura 1). În felul acesta se poate creşte cu două până la trei ordine de mărime eficienţa radiaţiei Compton retroîmprăştiate, ajungându-se până la intensitatea dorită de 1010-1011 fotoni gama pe secundă. Toate aceste procese de împrăştiere multiplă vor trebui însă studiate cu maximă atenţie, nemaivorbind de calitatea reflectorizantă a oglinzilor şi de încărcarea lor termică.
Pe viitor, se stipulează şi obţinerea de radiaţie gama cu polarizare circulară, prin împrăştierea unui fascicul laser polarizat circular. Pentru aceasta, trebuie introduse elemente polarizoare în traseul radiaţiei laser şi, în acelaşi timp, trebuie să ne asigurăm că toate aceste reflexii multiple ale radiaţiei laser nu-i schimbă starea de polarizare.
Trecând la aplicaţiile facilităţii ELI-NP în studiul materialelor, până în prezent s-au definit două astfel de facilităţi. Este de presupus că numărul aplicaţiilor va creşte exponenţial o dată ce facilitatea va deveni operaţională.
1. Este vorba, în primul rând, de studierea materialelor şi dispozitivelor în condiţii de radiaţie apropiate de acelea din spaţiul cosmic. Fasciculele laser de 100 TW sunt suficiente ca, prin focalizarea lor pe diferite ţinte, să producă o sumedenie de radiaţii electromagnetice de cele mai diverse lungimi de undă (de la infraroşu la X dure), plus electroni, protoni, positroni, neutroni, particule alfa şi altele.
Toată această bogăţie de radiaţii va fi testată pe oglinzi, celule fotovoltaice şi dispozitive semiconductoare care se intenţionează să echipeze sateliţii şi navele spaţiale. Faptul că se vor putea realiza la nivelul solului testări exhaustive în diverse câmpuri de radiaţie va conduce la anticiparea efectelor care pot apărea în spaţiul cosmic şi la îmbunătăţirea considerabilă a fiabilităţii componentelor care vor fi utilizate în tehnologiile spaţiale.
2. O a doua facilitate dedicată ştiinţei materialelor este linia de spectroscopii bazate pe positroni produşi în mod direct de radiaţia gama, care este dirijată spre un sistem convertor (generare de perechi electron-positron) şi moderator-extractor (extrage positronii şi le preia energia cinetică, astfel încât ulterior să poată fi acceleraţi la energia dorită). Aici s-au diferenţiat mai multe tehnici care pot aduce informaţii suplimentare faţă de tehnicile convenţionale de studiu ale stării solide sau ale suprafeţelor.
Positronii de energie mică nu pătrund în materia solidă, după cum nici electronii nu sunt ejectaţi în mod spontan de aceasta. În consecinţă, de exemplu, pentru suprafeţe metalice, positronii vor forma stări legate cu sarcinile lor imagine din metal, urmând ca după un timp relativ scurt să se anihileze cu electronii din primul strat atomic al metalului.
Cu o probabilitate de ordinul procentelor, anihilarea se poate produce cu electroni mai strâns legaţi (situaţi iniţial pe niveluri profunde), ceea ce va conduce la crearea unei vacanţe profunde în atomii din primul strat al materialului. Aceste vacanţe, la rândul lor, se dezexcită prin emisia de electroni Auger, iar noi putem detecta aceşti electroni Auger şi, pe baza spectrelor lor, putem identifica fără ambiguitate ce tip de atomi se află în primul strat atomic.
În fizica suprafeţelor, nu s-a definit încă o tehnică nedistructivă atât de sensibilă la suprafaţă (practic, un strat atomic) precum tehnica descrisă anterior, care este abreviată în comunitatea ştiinţifică PAES (positron annihilation induced Auger electron spectroscopy). Spectroscopia de electroni Auger convenţională sau spectroscopia de fotoelectroni, tehnicile standard de caracterizare a compoziţiei chimice a suprafeţelor, au sensibilitatea de câteva straturi monoatomice.
Positronii de energie cinetică ridicată, în schimb, penetrează mai adânc în material. Atunci când materialul este poros, positronii se pot localiza în aceşti pori, pot „captura” temporar un electron din material şi formează împreună o stare legată, care se numeşte positronium (Ps). În funcţie de orientarea reciprocă a spinilor electronului şi al positronului, stările legate se mai numesc orto- sau para-positronium (spinii paraleli sau antiparaleli).
Orto-positroniumul (o-Ps) are o durată de viaţă de peste o mie de ori mai ridicată decât para-positroniumul (p-Ps). 142 ns faţă de 125 ps. De asemenea, durata de viaţă a o-Ps, atunci când este situat într-un por al materialului, depinde destul de puternic de dimensiunea porului. Analizându-se distribuţia timpului de viaţă al o-Ps se poate deduce distribuţia porilor din material în funcţie de dimensiunile lor, indiferent dacă porii respectivi sunt conectaţi sau nu cu exteriorul materialului.
Această tehnică este abreviată PALS (positron annihilation lifetime spectroscopy) şi este, după cum se poate deduce din descrierea ei, mai rapidă şi mai precisă decât tehnica standard de analiză a materialelor poroase, care se bazează pe izotermele de absorbţie / desorbţie (tehnica BET, după denumirea inventatorilor ei, Stephen Brunauer, Paul H. Emmett şi Edward Teller).
Positronii de energie bine definită se anihilează cu electronii din material, care au diferite orientări ale impulsurilor faţă de impulsul positronilor. Aceasta conduce la lărgirea Doppler a cuantelor gama care sunt produse de anihilare.
Prin analiza acestor lărgimi dimpreună cu deviaţiile unghiulare la care sunt emise cuantele faţă de 180° (cazul electronilor şi positronilor fără impulsuri iniţiale), se poate deduce legea de dispersie a electronilor din material, adică dependenţa energiilor lor de impulsuri E(k). Aceasta este o informaţie extrem de importantă pentru toate materialele semiconductoare, de exemplu. Tehnica aceasta este abreviată CDBS (coincident Doppler broadening spectroscopy).
Dacă positronii sunt polarizaţi în spin şi au energie cinetică mică, ei se vor anihila cu electronii din primul strat atomic, după crearea unor stări metastabile o-Ps sau p-Ps. Dacă materialul este magnetic, prin analiza probabilităţii de a se crea o-Ps sau p-Ps şi cunoscând direcţia spinului positronului, se poate deduce imediat densitatea de stări electronice cu o anumită polarizare a spinului, o informaţie esenţială pentru toate sistemele magnetice.
Positronii cu direcţia bine definită a spinului se pot obţine pornindu-se de la radiaţie gama cu polarizare circulară, iar în ultimul raport al comitetului ISAB (International Science Advisory Board) s-a insistat destul de mult spre găsirea unei soluţii pentru a se obţine positroni cu polarizare de spin bine definită.
În concluzie, ELI-NP nu are numai nevoie de materiale noi pentru mediile laser, elementele optice, monocromatizare, ţinte nanometrice sau supraconductori, dar va putea fi şi intens utilizat pentru analiza suprafeţelor cu senzitivitate extremă, pentru investigarea materialelor poroase, a proprietăţilor electronice şi magnetice ale corpurilor solide, precum şi a efectelor radiaţiilor şi particulelor accelerate asupra componentelor şi materialelor folosite în tehnicile spaţiale.
Toate aceste deziderate, tehnici şi posibilităţi ne duc cu gândul că, în scurt timp de la darea în folosinţă a facilităţii, un întreg laborator serios de ştiinţa materialelor se va dezvolta la această facilitate. Practic, trebuie să anticipăm că pentru fiecare dintre problemele enunţate anterior ar trebui să lucreze între 5 şi 10 cercetători, pentru a se atinge masa critică. Rămâne de văzut cum şi de unde vor fi recrutaţi aceşti cercetători.
De aceea, o prioritate absolută a autorităţilor, dacă sunt interesate de succesul unui proiect precum ELI-NP, este să investească masiv în formarea de tineri care să poată prelua tehnic şi ştiinţific responsabilităţi în cadrul facilităţii începând cu 2018-2020, atunci când mare parte din iniţiatorii sau cei care au contribuit într-un fel sau altul la proiect (inclusiv subsemnatul) vor fi ajuns deja la apogeul carierei lor.
