Eugene Tkalya fra det russiske statsuniversitet i Moskva har et konkret forslag til det, han selv kalder en kerne-gammastrålings-laser i det optiske område.

Det er opsigtsvækkende, for gennem mange år har en gammastrålings-laser både været en drøm og anset som en umulighed.

En drøm for militæret som et supereffektivt våben og en drøm for forskere bl.a. til bedre tidsmålinger og til studier af kvanteinformation.

En umulighed fordi den nødvendigvis må baseres på en exciteret tilstand af atomkernen, også kaldet en isomer tilstand, og ikke en exciteret tilstand af hele atomet, som det gælder for sædvanlige lasere. Det medfører tilsyneladende uovervindelige problemer.

»Jeg har altid ment, at en gammalaser er en umulighed. Efter dit foredrag synes det at være mange størrelsesordner mindre umuligt. Men jeg mener stadig, det er umuligt, « sådan sagde Hans Frauenfelder fra Los Alamos National Laboratory i USA i 1973 til russeren Vitali Goldanskij.

I en artikel i Physics Review Letters lancerer Eugene Tkalya nu et realistisk forslag til, hvordan man kan lave en laser baseret på atomkerner i isomer tilstand.

Såfremt det lykkedes at lave den foreslåede laser, vil den dog ikke udsende gammastråling, men ultraviolet stråling efter samme principper som for en ægte gammastrålings-laser - og det er derfor Tkalya kalder den en kerne-gammastrålings-laser i det optiske område.

Thorium er sagen

En laser virker ved, at et atom bringes i en exciteret tilstand, hvor energien er højere end i grundtilstanden.

Hvis der opstår såkaldt populationsinversion, dvs. der er flere atomer i den exciterede tilstand end i grundtilstanden, har man en situation, hvor der kan opstå: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Man har med andre ord en laser.

Energiforskelle, der bevirker udsendelse af gammastråling, kan dog ikke opnås ved elektronovergange i atomet, men kun for overgange mellem energitilstande af atomkernen.

Eugene Tkalya idé er at tage udgangspunkt i LiCaAlF6 og tilføre dette materiale thorium-229 så der dannes en Th:LiCaAlF6 legering.

Thoriumkernerne i denne legering kan findes i en exciteret tilstand, der ligger ca. 10 elektronvolt over grundtilstanden. Når den eksisterende tilstand henfalder til grundtilstanden udsendes en foton med en bølgelængde på ca. 120 nm.

Da fotonenergien ikke ligger i et område, der omfatter elektronovergange i atomet, kan den slippe frit ud af atomet.

Næste problem er at opnå populationsinversion, dvs. at der er flere atomkerner i den exciterede tilstand end den tilstand, de henfalder til.

For at opnå dette skal materialet udsættes for et enten kraftigt magnetfelt med en styrke på 100 tesla eller en spændingsgradient på 10^18 volt pr. kvadratcentimeter. Det vil opdele grundtilstanden i to tilstande. Herved opstår der populationsinversion mellem den exciterede tilstand og en af de opsplittede tilstande.

Isomer-bomber

Før Tkalyas forslag om at bruge isomerer af thorium har hafnium længe været af størst interesse for gammastrålingslasere.

Hafnium-178 er et radioaktivt materiale med en halveringstid på 31 år. Denne isotop kan findes i en isomer tilstand kaldet Hf-178m2 med en energi på 2,5 megaelektronvolt. Når Hf-178m2 henfalder til grundtilstanden Hf-178 udsendes derfor en gammastrålings-foton.

Kan man udløse denne energi enten i form af en røntgenlaser eller i en form for isomer-bombe har man et effektivt våben.

Våben baseret på kerne-isomerer vi give en stor fordel til en hærstyrke, som besidder sådanne våben, forklarede André Gsponer fra Independent Scientific Research Institute i Genéve i 2003 til New Scientist: »Lande uden sådanne våben ville ikke være i stand til at bekæmpe lande, der har dem«.

Jason, som er en uafhængig gruppe af videnskabsfolk, der laver analyser for bl.a. det amerikanske militær, afviste dog i en rapport fra 1997, at Hf-178m2 er særligt anvendeligt i praksis til hurtig udløsning af lagret energi - og dermed som isomer-våben.

Ikke desto mindre fik gammastrålingslasere og isomer-bomber fornyet interesse efter, at Carl Collins fra University of Texas i Dallas viste, at han kunne trigge henfaldet af Hf-178m2 til Hf-178 ved at indsende røntgenstråling af lav energi.

Eksperimenterne viste, at man kunne udløse 60 gange så megen energi, som man sendte ind.

Andre forskere har dog ikke kunnet eftergøre eksperimenterne, og Jason-gruppens afvisning er siden understøttet af en rapport fra 2008 fra Lawrence Livermore National Laboratory.

Dokumentation

Proposal for a Nuclear Gamma-Ray Laser of Optical Range
High Energy Density Explosives (Rapport fra Jason-gruppen)