जर्मन वैज्ञानिकों ने दो फैंसी लेज़रों का उपयोग कर धातु को प्लाज़्मा में बदलते देखा, जो 'ट्रिलियनवें सेकंड' कहने से भी कम समय में हुआ

जब आप तांबे के एक तार पर एक छोटे तारे जितनी शक्तिशाली लेज़र से वार करते हैं, तो चीज़ें गर्म हो जाती हैं। बहुत गर्म। और तेज़। बहुत तेज़। हेल्महोल्ट्ज़-सेंट्रम ड्रेस्डेन-रॉसेंडॉर्फ (HZDR) के शोधकर्ताओं ने अब इस प्रक्रिया को अभूतपूर्व विस्तार से कैद किया है, जैसा कि नेचर कम्युनिकेशंस में रिपोर्ट किया गया है। उन्होंने हैम्बर्ग के पास शेनेफेल्ड में यूरोपीय XFEL में एक एक्स-रे फ्री-इलेक्ट्रॉन लेज़र को उच्च-तीव्रता वाले ऑप्टिकल लेज़र ReLaX के साथ जोड़ा, जिससे प्लाज़्मा निर्माण के लिए एक प्रकार की हाई-टेक निगरानी प्रणाली तैयार हुई। यह कार्य इस बात में नई अंतर्दृष्टि प्रदान करता है कि उच्च-ऊर्जा लेज़र चरम स्थितियों में पदार्थ के साथ कैसे संपर्क करते हैं और, अधिक व्यावहारिक रूप से, लेज़र फ्यूज़न अनुसंधान में निदान में सुधार के लिए एक आशाजनक विधि प्रस्तुत करता है।

आयनीकरण, परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को छीनने की प्रक्रिया, पिकोसेकंड के भीतर सामने आती है - यानी कुछ ट्रिलियनवें सेकंड। ऐसे तीव्र परिवर्तनों को कैद करने के लिए, आपको और भी छोटे लेज़र स्पंदों की आवश्यकता होती है। HZDR के उच्च-ऊर्जा घनत्व प्रभाग के प्रमुख डॉ. लिंगेन हुआंग बताते हैं कि उपयोग किए गए दो लेज़रों की स्पंद अवधि केवल 25 और 30 फेमटोसेकंड है - जो ट्रिलियनवें सेकंड भी हैं। इन अतिलघु स्पंदों के साथ, शोधकर्ता लगभग वास्तविक समय में प्लाज़्मा निर्माण का निरीक्षण कर सकते थे, जैसे किसी ब्रह्मांडीय विस्फोट का धीमी गति से रिप्ले, सिवाय इसके कि विस्फोट मानव बाल की मोटाई के सातवें हिस्से के तांबे के तार पर होता है।

प्रयोग एक तीव्र प्रकाश स्पंद के साथ शुरू होता है जो उस बहुत पतले तांबे के तार पर प्रहार करता है। वितरित ऊर्जा एक छोटे से क्षेत्र पर लगभग 250 ट्रिलियन मेगावाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर है, जो एक अत्यंत संक्षिप्त क्षण के लिए होती है - ऐसी स्थितियाँ जो आमतौर पर केवल न्यूट्रॉन तारों के पास या गामा-किरण विस्फोटों के दौरान पाई जाती हैं। तांबे का तार तुरंत वाष्पित हो जाता है, जिससे कई मिलियन डिग्री तापमान वाला प्लाज़्मा उत्पन्न होता है। तांबे के परमाणु कई इलेक्ट्रॉन खो देते हैं और अत्यधिक आयनित हो जाते हैं। शोधकर्ता फिर यूरोपीय XFEL द्वारा उत्पन्न दूसरे लेज़र स्पंद का उपयोग प्लाज़्मा की जांच करने के लिए करते हैं। यह स्पंद कठोर एक्स-रे का एक तीव्र फ्लैश उत्सर्जित करता है। यह रिकॉर्ड करके कि ये एक्स-रे प्लाज़्मा के साथ कैसे संपर्क करते हैं, वैज्ञानिक स्नैपशॉट का एक क्रम कैप्चर करते हैं, जो एक फिल्म में फ्रेम के समान है। यह पंप-प्रोब दृष्टिकोण उन्हें प्लाज़्मा के विकास का चरण दर चरण अनुसरण करने की अनुमति देता है।

एक्स-रे स्पंदों को Cu²²⁺ आयनों के साथ संपर्क करने के लिए सावधानीपूर्वक ट्यून किया जाता है - तांबे के परमाणु जिन्होंने 22 इलेक्ट्रॉन खो दिए हैं। 8.2 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट की फोटॉन ऊर्जा इन आयनों में एक विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण से मेल खाती है, जिसे अनुनाद अवशोषण के रूप में जाना जाता है। एक्स-रे को अवशोषित करने के बाद, आयन अपना स्वयं का विशिष्ट एक्स-रे विकिरण उत्सर्जित करते हैं। 'हमारे पंप-प्रोब प्रयोग में, हम इस उत्तेजित एक्स-रे उत्सर्जन के अस्थायी विकास को सटीक रूप से मापते हैं,' हुआंग कहते हैं। 'क्योंकि यह हमें दिखाता है कि किसी भी समय प्लाज़्मा में कितने Cu22+ आयन मौजूद हैं।' माप एक स्पष्ट अनुक्रम प्रकट करते हैं: लेज़र के तार पर प्रहार करने के तुरंत बाद, Cu22+ आयन बनने लगते हैं, लगभग ढाई पिकोसेकंड पर चरम पर पहुँचते हैं, फिर पुनर्संयोजन शुरू होने पर लगातार घटते हैं। लगभग दस पिकोसेकंड के भीतर, ये उच्च आवेशित आयन पूरी तरह से गायब हो जाते हैं। 'किसी ने भी पहले इस प्रकार के आयनीकरण को इतनी सटीकता से नहीं देखा है,' HZDR के विकिरण भौतिकी संस्थान के पूर्व निदेशक प्रो. टॉम कोवान कहते हैं।

कंप्यूटर सिमुलेशन ने शोधकर्ताओं को यह समझने में मदद की कि इस व्यवहार को क्या प्रेरित करता है। प्रारंभिक लेज़र स्पंद तांबे के परमाणुओं से केवल कुछ इलेक्ट्रॉनों को छीनता है। ये इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा ले जाते हैं और सामग्री के माध्यम से एक लहर की तरह चलते हैं, पड़ोसी परमाणुओं से अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करते हैं। 'वे इतने ऊर्जा-समृद्ध होते हैं कि वे एक लहर की तरह फैल जाते हैं और पड़ोसी तांबे के परमाणुओं से और अधिक इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालते हैं,' कोवान बताते हैं। समय के साथ, ये इलेक्ट्रॉन ऊर्जा खो देते हैं और धीरे-धीरे आयनों द्वारा पुनः ग्रहण कर लिए जाते हैं, परमाणुओं को तटस्थ अवस्था में लौटाते हैं। 'यह प्रयोग दर्शाता है कि हमारे लेज़र कितने शक्तिशाली हैं और भविष्य की लेज़र फ्यूज़न सुविधाओं के लिए मार्ग प्रशस्त करता है,' यूरोपीय XFEL में HED-HIBEF प्रयोग स्टेशन के लिए जिम्मेदार डॉ. उल्फ ज़ास्ट्राउ ने निष्कर्ष निकाला। लेज़र फ्यूज़न, आखिरकार, लेज़रों द्वारा गर्म किए गए अत्यधिक गर्म प्लाज़्मा और परिणामी इलेक्ट्रॉनों पर भी आधारित है।