구리선에 작은 별만큼 강력한 레이저를 쏘면 상황이 뜨거워진다. 매우 뜨겁다. 그리고 빠르다. 매우 빠르다. 헬름홀츠-첸트룸 드레스덴-로센도르프(HZDR)의 연구진은 이제 이 과정을 전례 없는 세부 사항으로 포착했다고 Nature Communications에 보고했다. 그들은 함부르크 근처 셰네펠트에 있는 유럽 XFEL에서 X-선 자유 전자 레이저와 고강도 광학 레이저 ReLaX를 결합하여 플라즈마 형성을 위한 일종의 하이테크 감시 시스템을 만들었다. 이 연구는 고에너지 레이저가 극한 조건에서 물질과 어떻게 상호 작용하는지에 대한 새로운 통찰력을 제공하며, 더 실용적으로는 레이저 핵융합 연구의 진단 방법을 개선하는 유망한 방법을 소개한다.
이온화, 즉 원자에서 전자를 떼어내는 과정은 피코초(1조분의 1초) 단위로 진행된다. 이러한 급격한 변화를 포착하려면 더 짧은 레이저 펄스가 필요하다. HZDR 고에너지 밀도 부서의 실험 책임자인 Dr. Lingen Huang은 사용된 두 레이저의 펄스 지속 시간이 각각 25펨토초와 30펨토초(또한 1조분의 1초)라고 설명한다. 이 초단펄스를 통해 연구진은 플라즈마 형성을 거의 실시간으로 관찰할 수 있었는데, 마치 우주 폭발의 슬로우 모션 재생과 같지만 폭발은 인간 머리카락 두께의 7분의 1에 불과한 구리선에서 일어난다.
실험은 강렬한 빛의 폭발이 그 매우 얇은 구리선을 때리면서 시작된다. 전달되는 에너지는 극히 짧은 순간 동안 작은 영역에 제곱센티미터당 약 250조 메가와트로, 일반적으로 중성자별 근처나 감마선 폭발 시에만 발견되는 조건이다. 구리선은 즉시 증발하여 수백만 도의 온도를 가진 플라즈마를 생성한다. 구리 원자는 여러 전자를 잃고 고도로 이온화된다. 그런 다음 연구진은 유럽 XFEL에서 생성된 두 번째 레이저 펄스를 사용하여 플라즈마를 조사한다. 이 펄스는 강력한 경X-선 플래시를 방출한다. 이 X-선이 플라즈마와 상호 작용하는 방식을 기록함으로써 과학자들은 영화의 프레임과 같은 일련의 스냅샷을 포착한다. 이 펌프-프로브 접근법을 통해 그들은 플라즈마의 진화를 단계별로 추적할 수 있다.
X-선 펄스는 Cu²²⁺ 이온(전자 22개를 잃은 구리 원자)과 상호 작용하도록 세심하게 조정된다. 8.2킬로전자볼트의 광자 에너지는 이러한 이온의 특정 전자 전이와 일치하며, 이는 공명 흡수로 알려진 과정이다. X-선을 흡수한 후, 이온은 고유한 X-선 복사를 방출한다. Huang은 "펌프-프로브 실험에서 우리는 이 자극된 X-선 방출의 시간적 발달을 정확히 측정합니다. 이는 플라즈마에 특정 시간에 얼마나 많은 Cu22+ 이온이 존재하는지 보여주기 때문입니다."라고 말한다. 측정 결과 명확한 순서가 드러난다. 레이저가 와이어를 때린 직후 Cu22+ 이온이 형성되기 시작하여 약 2.5피코초에서 최고조에 달한 다음 재결합이 시작되면서 꾸준히 감소한다. 약 10피코초 내에 이 고전하 이온은 완전히 사라진다. HZDR 방사선 물리학 연구소의 전 소장인 Prof. Tom Cowan은 "이런 종류의 이온화를 이렇게 정밀하게 관찰한 사람은 아무도 없었습니다."라고 말한다.
컴퓨터 시뮬레이션은 연구자들이 이러한 행동을 주도하는 요인을 이해하는 데 도움이 되었다. 초기 레이저 펄스는 구리 원자에서 몇 개의 전자만을 떼어낸다. 이 전자들은 높은 에너지를 가지며 물질을 통해 파도처럼 이동하여 이웃 원자에서 추가 전자를 떨어뜨린다. Cowan은 "그들은 에너지가 너무 풍부하여 파도처럼 퍼져 나가 이웃 구리 원자에서 점점 더 많은 전자를 떨어뜨립니다."라고 설명한다. 시간이 지남에 따라 이 전자들은 에너지를 잃고 점차 이온에 재포획되어 원자를 중성 상태로 되돌린다. 유럽 XFEL의 HED-HIBEF 실험 스테이션 책임자인 Dr. Ulf Zastrau는 "이 실험은 우리 레이저가 얼마나 강력한지 보여주며 미래의 레이저 핵융합 시설을 위한 길을 닦습니다."라고 결론짓는다. 결국 레이저 핵융합은 레이저로 가열된 극도로 뜨거운 플라즈마와 그 결과로 발생하는 전기적 현상에 기반을 두고 있다.