銅線に小さな星ほどのパワーを持つレーザーを当てると、ものすごく熱くなる。非常に熱く、そして速い。非常に速い。ヘルムホルツ・ツェントルム・ドレスデン・ロッセンドルフ（HZDR）の研究者たちは、このプロセスを前例のない詳細さで捉えることに成功したと、Nature Communicationsに報告している。彼らは、X線自由電子レーザーと高強度光学レーザーReLaXを、ハンブルク近郊のシェーネフェルトにある欧州XFELで組み合わせ、プラズマ形成のためのハイテク監視システムのようなものを作り出した。この研究は、高エネルギーレーザーが極限状態で物質とどのように相互作用するかについて新たな洞察を提供し、より実用的には、レーザー核融合研究における診断法を改善する有望な方法を紹介している。
イオン化、つまり原子から電子を剥ぎ取るプロセスは、ピコ秒（1兆分の数秒）以内に展開する。このような急速な変化を捉えるには、さらに短いレーザーパルスが必要だ。HZDRの高エネルギー密度部門で実験責任者を務めるLingen Huang博士は、使用した2つのレーザーのパルス持続時間はわずか25および30フェムト秒（これも1兆分の1秒）だと説明する。これらの超短パルスにより、研究者はプラズマ形成をほぼリアルタイムで観察でき、まるで宇宙爆発のスローモーション再生のようだが、爆発は人間の髪の毛の7分の1の太さの銅線で起こる。
実験は、強烈な光のバーストがその非常に細い銅線に当たることから始まる。供給されるエネルギーは、極めて短い時間に小さな領域で1平方センチメートルあたり約250兆メガワットで、これは通常、中性子星の近くかガンマ線バーストの時にしか見られない条件だ。銅線は瞬時に気化し、数百万度の温度のプラズマを生成する。銅原子は複数の電子を失い、高度にイオン化する。研究者は次に、欧州XFELが生成する2番目のレーザーパルスを使ってプラズマを調べる。このパルスは強烈な硬X線のフラッシュを放出する。これらのX線がプラズマとどのように相互作用するかを記録することで、科学者は映画のコマのような一連のスナップショットを撮影する。このポンプ・プローブ法により、プラズマの進化を段階的に追跡できる。
X線パルスは、Cu²²⁺イオン（22個の電子を失った銅原子）と相互作用するように注意深く調整されている。光子エネルギー8.2キロ電子ボルトは、これらのイオンの特定の電子遷移（共鳴吸収として知られるプロセス）に一致する。X線を吸収した後、イオンは独自の特徴的なX線放射を放出する。「ポンプ・プローブ実験では、この誘導X線放射の時間的発展を正確に測定します」とHuangは言う。「なぜなら、それはプラズマ中に任意の時点で存在するCu22+イオンの数を示してくれるからです。」測定結果は明確なシーケンスを示している：レーザーがワイヤーに当たった直後、Cu22+イオンが形成され始め、約2.5ピコ秒でピークに達し、その後再結合が始まると着実に減少する。約10ピコ秒以内に、これらの高電荷イオンは完全に消滅する。「このタイプのイオン化をこれほど正確に見た人はいません」と、HZDRの放射線物理学研究所の元所長であるTom Cowan教授は言う。
コンピューターシミュレーションは、研究者がこの振る舞いの原因を理解するのに役立った。最初のレーザーパルスは銅原子から数個の電子だけを剥ぎ取る。これらの電子は高エネルギーを持ち、波のように物質中を移動し、隣接する原子から追加の電子を叩き出す。「それらは非常にエネルギーが豊富で、波のように広がり、隣接する銅原子からますます多くの電子を叩き出します」とCowanは説明する。時間の経過とともに、これらの電子はエネルギーを失い、徐々にイオンに再捕獲され、原子は中性状態に戻る。「この実験は、私たちのレーザーがどれほど強力であるかを示し、将来のレーザー核融合施設への道を開くものです」と、欧州XFELのHED-HIBEF実験ステーションを担当するUlf Zastrau博士は結論付ける。結局のところ、レーザー核融合もまた、レーザーとその結果生じる超高温プラズマに基づいているのだ。