Wenn man ein Stück Kupferdraht mit einem Laser bestrahlt, der ungefähr so stark ist wie ein kleiner Stern, wird es heiß. Sehr heiß. Und schnell. Sehr schnell. Forschern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) ist es nun gelungen, diesen Prozess mit beispielloser Detailtreue festzuhalten, wie sie in Nature Communications berichten. Sie kombinierten einen Röntgen-Freie-Elektronen-Laser mit dem hochintensiven optischen Laser ReLaX am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg und schufen so eine Art High-Tech-Überwachungssystem für die Plasmabildung. Die Arbeit bietet neue Einblicke in die Wechselwirkung hochenergetischer Laser mit Materie unter extremen Bedingungen und führt praktischerweise eine vielversprechende Methode zur Verbesserung der Diagnostik in der Laserfusionsforschung ein.

Ionisation, der Prozess, bei dem Atomen Elektronen entrissen werden, spielt sich innerhalb von Pikosekunden ab – das sind ein paar Billiardstel einer Sekunde. Um solch schnelle Veränderungen einzufangen, braucht man noch kürzere Laserpulse. Dr. Lingen Huang, Leiter der Experimente am HZDR-Bereich Hochenergiedichte, erklärt, dass die beiden verwendeten Laser Pulsdauern von nur 25 und 30 Femtosekunden haben – ebenfalls Billiardstel einer Sekunde. Mit diesen ultrakurzen Pulsen konnten die Forscher die Plasmabildung nahezu in Echtzeit beobachten, wie eine Zeitlupenwiederholung einer kosmischen Explosion, nur dass die Explosion auf einem Kupferdraht stattfindet, der ein Siebtel so dick ist wie ein menschliches Haar.

Das Experiment beginnt mit einem intensiven Lichtblitz, der auf diesen sehr dünnen Kupferdraht trifft. Die abgegebene Energie beträgt etwa 250 Billionen Megawatt pro Quadratzentimeter über eine winzige Fläche für einen extrem kurzen Moment – Bedingungen, die normalerweise nur in der Nähe von Neutronensternen oder bei Gammablitzen herrschen. Der Kupferdraht verdampft sofort und erzeugt Plasma mit Temperaturen von mehreren Millionen Grad. Kupferatome verlieren mehrere Elektronen und werden hoch ionisiert. Die Forscher verwenden dann einen zweiten Laserpuls, der vom European XFEL erzeugt wird, um das Plasma zu untersuchen. Dieser Puls sendet einen intensiven Blitz harter Röntgenstrahlung aus. Indem sie aufzeichnen, wie diese Röntgenstrahlen mit dem Plasma wechselwirken, nehmen die Wissenschaftler eine Sequenz von Schnappschüssen auf, ähnlich wie Einzelbilder eines Films. Dieser Pump-Probe-Ansatz ermöglicht es ihnen, die Entwicklung des Plasmas Schritt für Schritt zu verfolgen.

Die Röntgenpulse sind sorgfältig darauf abgestimmt, mit Cu²²⁺-Ionen zu interagieren – Kupferatome, die 22 Elektronen verloren haben. Die Photonenenergie von 8,2 Kiloelektronenvolt entspricht einem bestimmten elektronischen Übergang in diesen Ionen, einem Prozess, der als resonante Absorption bekannt ist. Nach der Absorption der Röntgenstrahlen emittieren die Ionen ihre eigene charakteristische Röntgenstrahlung. „In unserem Pump-Probe-Experiment messen wir genau die zeitliche Entwicklung dieser stimulierten Röntgenemission“, sagt Huang. „Weil sie uns zeigt, wie viele Cu22+-Ionen zu einem bestimmten Zeitpunkt im Plasma vorhanden sind.“ Die Messungen zeigen eine klare Abfolge: Direkt nachdem der Laser auf den Draht trifft, beginnen sich Cu22+-Ionen zu bilden, erreichen nach etwa zweieinhalb Pikosekunden ihren Höhepunkt und nehmen dann stetig ab, wenn die Rekombination einsetzt. Innerhalb von etwa zehn Pikosekunden verschwinden diese hochgeladenen Ionen vollständig. „Niemand hat diese Art der Ionisation jemals zuvor so genau betrachtet“, sagt Prof. Tom Cowan, ehemaliger Direktor des Instituts für Strahlenphysik am HZDR.

Computersimulationen halfen den Forschern zu verstehen, was dieses Verhalten antreibt. Der anfängliche Laserpuls reißt nur wenige Elektronen aus den Kupferatomen. Diese Elektronen tragen hohe Energie und bewegen sich wie eine Welle durch das Material und schlagen zusätzliche Elektronen aus benachbarten Atomen heraus. „Sie sind so energiereich, dass sie sich wie eine Welle ausbreiten und immer mehr Elektronen aus benachbarten Kupferatomen herausschlagen“, erklärt Cowan. Im Laufe der Zeit verlieren diese Elektronen Energie und werden nach und nach von den Ionen wieder eingefangen, wodurch die Atome in einen neutralen Zustand zurückkehren. „Dieses Experiment zeigt, wie leistungsstark unsere Laser sind und ebnet den Weg für zukünftige Laserfusionsanlagen“, schließt Dr. Ulf Zastrau, verantwortlich für die HED-HIBEF-Experimentierstation am European XFEL. Schließlich basiert auch die Laserfusion auf extrem heißen Plasmen, die durch Laser erhitzt werden, und der daraus resultierenden Elektro