Allen Mills. Kredit: UC Riverside.

Lasery jsou zdroje intenzivního elektromagnetického záření, které vyzařují koherentní a monochromatický paprsek. Využívají k tomu kvantovou mechaniku a termodynamiku, přičemž nepracují zdaleka jen s viditelným světlem, ale s mnohem širším spektrem elektromagnetického záření. V jedné oblasti elektromagnetického spektra ale zatím ještě lasery nemáme.

Navzdory značnému úsilí ještě stále není k dispozici prakticky použitelný gama laser. Podle odborníků jde o jeden z významných nedořešených problémů dnešní fyziky. Jeho výzkum a vývoj stále pokračuje. Je to mezioborová záležitost, která zahrnuje kvantovou mechaniku, spektroskopii, chemii, fyziku pevných látek, a také metalurgii. V současné době spojuje jak základní výzkum, tak rozvoj potřebných technologií.

Neuvěřitelné pozitronium. Kredit: Manticorp / Wikimedia Commons.

Výzkum a vývoj gama laseru je očividně nesmírně náročný. Pokud se to ale povede, tak gama lasery slibují řadu podivuhodných aplikací, od medicínského zobrazování a léčby nádorů, až po pohon kosmických lodí a satelitů. Ačkoliv to na první pohled nejspíš nevypadá, součástí výzkumu gama laseru je i nová studie Allena Millse z americké University of California, Riverside. Ten svými výpočty potvrzuje, že bubliny vyplněné pozitroniovým plynem jsou stabilní v kapalném héliu. Jde o významný krok směrem k hotovému gama laseru.

Pozitronium je docela zběsilá záležitost. Jde o velice exotický atom či částici, kterou tvoří elektron a jeho antičástice pozitron. Je to chiméra složená z hmoty a antihmoty zároveň. Orbitaly dvou částic v pozitroniu a složení energetických hladin jsou podobné jako v atomu vodíku složeného z elektronu a protonu. Na rozdíl od něj je ale pozitronium velice nestabilní a po kratičkém zlomku sekundy dojde k anihilaci elektronu s pozitronem a vyzáření dvou nebo tří fotonů gama záření. A tyhle fotony by se hodily pro gama lasery.

University of California, Riverside, logo.

Pro účely technologie gama laseru je žádoucí, aby v něm bylo pozitronium v podobě Bose-Einsteinova kondenzátu. V takovém případě totiž budou „atomy“ pozitronia ve stejném kvantovém stavu, což zvýší množství interakcí i výsledného gama záření. Mills spočítal, že když bude v kapalném heliu bublina, která bude obsahovat milion „atomů“ pozitronia, tak bude mít asi šestinásobnou hustotu oproti vzduchu. A co je hlavní, pozitronium by v takovém případě mělo být ve formě Bose-Einsteinova kondenzátu.

Helium je kapalné jen za extrémně nízkých teplot. Zároveň již od padesátých let víme, že právě v kapalném héliu se jinak nestabilní pozitronium udrží překvapivě dlouhou dobu. V heliu by se přitom měly vytvářet bubliny pozitronia, protože helium a pozitronium se navzájem odpuzují. Millsova laboratoř Positron Laboratory teď připravuje výrobu takových bublin pozitronia v heliu, které by se měly stát zdrojem Bose-Einsteinova kondenzátu pozitronia. Vše nasvědčuje tomu, že gama laser je zase o něco blíž.

Literatura
University of California, Riverside 5. 12. 2019, Physical Review A 100: 063615.