عندما تصعق قطعة من سلك نحاسي بليزر بقوة نجم صغير تقريبًا، تصبح الأمور ساخنة. ساخنة جدًا. وسريعة. سريعة جدًا. الباحثون في مركز هيلمهولتز-زينتروم دريسدن-روسندورف (HZDR) التقطوا الآن هذه العملية بتفاصيل غير مسبوقة، كما ورد في مجلة Nature Communications. لقد جمعوا بين ليزر إلكترون حر بالأشعة السينية والليزر البصري عالي الكثافة ReLaX في منشأة XFEL الأوروبية في شينيفيلد بالقرب من هامبورغ، مما خلق نوعًا من نظام المراقبة عالي التقنية لتشكل البلازما. يقدم العمل رؤية جديدة لكيفية تفاعل الليزر عالي الطاقة مع المادة في ظروف قصوى، وبشكل أكثر عملية، يقدم طريقة واعدة لتحسين التشخيص في أبحاث الاندماج بالليزر.
التأين، عملية نزع الإلكترونات من الذرات، تحدث خلال بيكو ثوانٍ - أي بضعة تريليونات من الثانية. لالتقاط مثل هذه التغيرات السريعة، تحتاج إلى نبضات ليزر أقصر. يشرح الدكتور لينغن هوانغ، رئيس التجارب في قسم كثافة الطاقة العالية في HZDR، أن الليزرين المستخدمين لهما مدة نبضة تبلغ 25 و30 فيمتو ثانية فقط - أيضًا تريليونات من الثانية. بهذه النبضات فائقة القصر، تمكن الباحثون من مراقبة تشكل البلازما في الوقت الفعلي تقريبًا، مثل إعادة عرض بطيء لانفجار كوني، لكن الانفجار يحدث على سلك نحاسي سمكه سُبع سمك شعرة الإنسان.
تبدأ التجربة بانفجار مكثف من الضوء يصيب ذلك السلك النحاسي الرفيع جدًا. الطاقة المنقولة تبلغ حوالي 250 تريليون ميغاواط لكل سنتيمتر مربع على مساحة صغيرة جدًا للحظة قصيرة للغاية - ظروف توجد عادة فقط بالقرب من النجوم النيوترونية أو أثناء انفجارات أشعة جاما. يتبخر السلك النحاسي فورًا، منتجًا بلازما بدرجات حرارة تصل إلى عدة ملايين درجة. تفقد ذرات النحاس إلكترونات متعددة وتصبح عالية التأين. ثم يستخدم الباحثون نبضة ليزر ثانية، مولدة بواسطة XFEL الأوروبي، لفحص البلازما. تصدر هذه النبضة وميضًا مكثفًا من الأشعة السينية الصلبة. بتسجيل كيفية تفاعل هذه الأشعة السينية مع البلازما، يلتقط العلماء سلسلة من اللقطات، تشبه إطارات فيلم. يسمح لهم نهج الضخ والتحقيق هذا بتتبع تطور البلازما خطوة بخطوة.
يتم ضبط نبضات الأشعة السينية بعناية لتتفاعل مع أيونات Cu²²⁺ - ذرات نحاس فقدت 22 إلكترونًا. طاقة الفوتون البالغة 8.2 كيلو إلكترون فولت تتطابق مع انتقال إلكتروني محدد في هذه الأيونات، وهي عملية تعرف بالامتصاص الرنيني. بعد امتصاص الأشعة السينية، تصدر الأيونات إشعاعها المميز من الأشعة السينية. يقول هوانغ: 'في تجربة الضخ والتحقيق لدينا، نقيس بدقة التطور الزمني لهذا الانبعاث المحفز للأشعة السينية. لأنه يظهر لنا عدد أيونات Cu22+ الموجودة في البلازما في أي وقت.' تكشف القياسات تسلسلًا واضحًا: بعد أن يصيب الليزر السلك مباشرة، تبدأ أيونات Cu22+ في التكون، وتصل ذروتها عند حوالي بيكو ثانيتين ونصف، ثم تتناقص بثبات مع بدء إعادة الاتحاد. في غضون حوالي عشرة بيكو ثوانٍ، تختفي هذه الأيونات عالية الشحنة تمامًا. يقول البروفيسور توم كوان، المدير السابق لمعهد فيزياء الإشعاع في HZDR: 'لم ينظر أحد إلى هذا النوع من التأين بهذه الدقة من قبل.'
ساعدت المحاكاة الحاسوبية الباحثين على فهم ما يحرك هذا السلوك. نبضة الليزر الأولية تنزع فقط بضعة إلكترونات من ذرات النحاس. تحمل هذه الإلكترونات طاقة عالية وتتحرك عبر المادة مثل موجة، مما يقرع إلكترونات إضافية حرة من الذرات المجاورة. يشرح كوان: 'إنها غنية بالطاقة لدرجة أنها تنتشر مثل موجة وتقرع المزيد والمزيد من الإلكترونات من ذرات النحاس المجاورة.' بمرور الوقت، تفقد هذه الإلكترونات طاقتها ويتم إعادة أسرها تدريجيًا بواسطة الأيونات، مما يعيد الذرات إلى حالة متعادلة. يخلص الدكتور أولف زاستراو، المسؤول عن محطة التجارب HED-HIBEF في XFEL الأوروبي: 'تظهر هذه التجربة مدى قوة أجهزة الليزر لدينا وتمهد الطريق لمنشآت الاندماج بالليزر في المستقبل.' الاندماج بالليزر، بعد كل شيء، يعتمد أيضًا على بلازما شديدة السخونة يتم تسخينها بالليزر والإلكترونات الناتجة.