Quando colpisci un pezzo di filo di rame con un laser grosso più o meno come una piccola stella, le cose si scaldano. Molto. E velocemente. Molto velocemente. I ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno ora catturato questo processo con dettagli senza precedenti, come riportato su Nature Communications. Hanno combinato un laser a elettroni liberi a raggi X con il laser ottico ad alta intensità ReLaX presso l'European XFEL a Schenefeld vicino ad Amburgo, creando una sorta di sistema di sorveglianza high-tech per la formazione del plasma. Il lavoro offre nuove intuizioni su come i laser ad alta energia interagiscono con la materia in condizioni estreme e, più praticamente, introduce un metodo promettente per migliorare la diagnostica nella ricerca sulla fusione laser.

L'ionizzazione, il processo di strappare elettroni dagli atomi, si svolge entro picosecondi - cioè pochi triliardesimi di secondo. Per catturare cambiamenti così rapidi, servono impulsi laser ancora più brevi. Il dott. Lingen Huang, capo della sperimentazione presso la Divisione di Alta Densità Energetica dell'HZDR, spiega che i due laser utilizzati hanno durate di impulso di soli 25 e 30 femtosecondi - anche questi triliardesimi di secondo. Con questi impulsi ultracorti, i ricercatori hanno potuto osservare la formazione del plasma quasi in tempo reale, come un replay al rallentatore di un'esplosione cosmica, solo che l'esplosione avviene su un filo di rame spesso un settimo di un capello umano.

L'esperimento inizia con un'intensa raffica di luce che colpisce quel filo di rame sottilissimo. L'energia erogata è di circa 250 trilioni di megawatt per centimetro quadrato su un'area minuscola per un momento estremamente breve - condizioni che si trovano di solito solo vicino a stelle di neutroni o durante lampi gamma. Il filo di rame vaporizza istantaneamente, producendo plasma con temperature di diversi milioni di gradi. Gli atomi di rame perdono molti elettroni e diventano altamente ionizzati. I ricercatori usano poi un secondo impulso laser, generato dall'European XFEL, per esaminare il plasma. Questo impulso emette un'intensa raffica di raggi X duri. Registrando come questi raggi X interagiscono con il plasma, gli scienziati catturano una sequenza di istantanee, simili a fotogrammi di un film. Questo approccio pompa-sonda permette loro di seguire l'evoluzione del plasma passo dopo passo.

Gli impulsi di raggi X sono accuratamente sintonizzati per interagire con ioni Cu²²⁺ - atomi di rame che hanno perso 22 elettroni. L'energia dei fotoni di 8,2 kiloelettronvolt corrisponde a una specifica transizione elettronica in questi ioni, un processo noto come assorbimento risonante. Dopo aver assorbito i raggi X, gli ioni emettono la propria caratteristica radiazione a raggi X. 'Nel nostro esperimento pompa-sonda, misuriamo esattamente lo sviluppo temporale di questa emissione di raggi X stimolata', dice Huang. 'Perché ci mostra quanti ioni Cu22+ sono presenti nel plasma in un dato momento.' Le misurazioni rivelano una sequenza chiara: subito dopo che il laser colpisce il filo, gli ioni Cu22+ iniziano a formarsi, raggiungendo un picco a circa due picosecondi e mezzo, poi diminuendo costantemente mentre inizia la ricombinazione. Entro circa dieci picosecondi, questi ioni altamente carichi scompaiono completamente. 'Nessuno ha mai osservato questo tipo di ionizzazione così precisamente prima', dice il prof. Tom Cowan, ex direttore dell'Istituto di Fisica delle Radiazioni all'HZDR.

Simulazioni al computer hanno aiutato i ricercatori a capire cosa guida questo comportamento. L'impulso laser iniziale strappa solo pochi elettroni dagli atomi di rame. Questi elettroni portano alta energia e si muovono attraverso il materiale come un'onda, liberando elettroni aggiuntivi dagli atomi vicini. 'Sono così ricchi di energia che si diffondono come un'onda e liberano sempre più elettroni dagli atomi di rame vicini', spiega Cowan. Col tempo, questi elettroni perdono energia e vengono gradualmente ricatturati dagli ioni, riportando gli atomi a uno stato neutro. 'Questo esperimento dimostra quanto siano potenti i nostri laser e apre la strada per future strutture di fusione laser', conclude il dott. Ulf Zastrau, responsabile della stazione sperimentale HED-HIBEF all'European XFEL. La fusione laser, dopotutto, si basa anche su plasmi estremamente caldi riscaldati da laser e la conseguente elettro