Cuando disparas un láser tan potente como una pequeña estrella a un trozo de alambre de cobre, las cosas se calientan. Mucho. Y rápido. Muy rápido. Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han capturado ahora este proceso con un detalle sin precedentes, según informan en Nature Communications. Combinaron un láser de electrones libres de rayos X con el láser óptico de alta intensidad ReLaX en el European XFEL en Schenefeld, cerca de Hamburgo, creando una especie de sistema de vigilancia de alta tecnología para la formación de plasma. El trabajo ofrece una nueva visión de cómo los láseres de alta energía interactúan con la materia en condiciones extremas y, de manera más práctica, introduce un método prometedor para mejorar los diagnósticos en la investigación de la fusión por láser.

La ionización, el proceso de arrancar electrones de los átomos, ocurre en picosegundos, es decir, unas pocas trillonésimas de segundo. Para capturar cambios tan rápidos, necesitas pulsos láser aún más cortos. El Dr. Lingen Huang, jefe de experimentación de la División de Alta Densidad de Energía del HZDR, explica que los dos láseres utilizados tienen duraciones de pulso de solo 25 y 30 femtosegundos, también trillonésimas de segundo. Con estos pulsos ultracortos, los investigadores pudieron observar la formación de plasma casi en tiempo real, como una repetición en cámara lenta de una explosión cósmica, excepto que la explosión ocurre en un alambre de cobre de un séptimo del grosor de un cabello humano.

El experimento comienza con una ráfaga intensa de luz que golpea ese alambre de cobre muy delgado. La energía entregada es de aproximadamente 250 billones de megavatios por centímetro cuadrado sobre un área diminuta durante un momento extremadamente breve, condiciones que normalmente solo se encuentran cerca de estrellas de neutrones o durante estallidos de rayos gamma. El alambre de cobre se vaporiza instantáneamente, produciendo plasma con temperaturas de varios millones de grados. Los átomos de cobre pierden múltiples electrones y se vuelven altamente ionizados. Luego, los investigadores utilizan un segundo pulso láser, generado por el European XFEL, para examinar el plasma. Este pulso emite un destello intenso de rayos X duros. Al registrar cómo estos rayos X interactúan con el plasma, los científicos capturan una secuencia de instantáneas, similares a los fotogramas de una película. Este enfoque de bombeo y sonda les permite seguir la evolución del plasma paso a paso.

Los pulsos de rayos X están cuidadosamente ajustados para interactuar con iones Cu²²⁺, átomos de cobre que han perdido 22 electrones. La energía del fotón de 8,2 kiloelectronvoltios coincide con una transición electrónica específica en estos iones, un proceso conocido como absorción resonante. Después de absorber los rayos X, los iones emiten su propia radiación de rayos X característica. "En nuestro experimento de bombeo y sonda, medimos exactamente el desarrollo temporal de esta emisión de rayos X estimulada", dice Huang. "Porque nos muestra cuántos iones Cu22+ están presentes en el plasma en un momento dado". Las mediciones revelan una secuencia clara: justo después de que el láser golpea el alambre, los iones Cu22+ comienzan a formarse, alcanzando su punto máximo alrededor de dos picosegundos y medio, luego disminuyen constantemente a medida que comienza la recombinación. En aproximadamente diez picosegundos, estos iones altamente cargados desaparecen por completo. "Nadie había observado este tipo de ionización con tanta precisión antes", dice el Prof. Tom Cowan, ex director del Instituto de Física de Radiación del HZDR.

Las simulaciones por computadora ayudaron a los investigadores a entender qué impulsa este comportamiento. El pulso láser inicial arranca solo unos pocos electrones de los átomos de cobre. Estos electrones llevan alta energía y se mueven a través del material como una ola, liberando electrones adicionales de los átomos vecinos. "Son tan ricos en energía que se extienden como una ola y liberan cada vez más electrones de los átomos de cobre vecinos", explica Cowan. Con el tiempo, estos electrones pierden energía y son recapturados gradualmente por los iones, devolviendo los átomos a un estado neutro. "Este experimento demuestra lo potentes que son nuestros láseres y allana el camino para futuras instalaciones de fusión por láser", concluye el Dr. Ulf Zastrau, responsable de la estación experimental HED-HIBEF en el European XFEL. Después de todo, la fusión por láser también se basa en plasmas extremadamente calientes calentados por láseres y la electro