Als je een stuk koperdraad bestraalt met een laser die ongeveer zo krachtig is als een kleine ster, wordt het heet. Heel heet. En snel. Heel snel. Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben dit proces nu met ongekend detail vastgelegd, zoals gerapporteerd in Nature Communications. Ze combineerden een röntgenvrije-elektronenlaser met de hoogintensieve optische laser ReLaX bij de European XFEL in Schenefeld bij Hamburg, waardoor een soort high-tech bewakingssysteem voor plasmaformatie ontstond. Het werk biedt nieuw inzicht in hoe hoogenergetische lasers interageren met materie onder extreme omstandigheden en, praktischer, introduceert het een veelbelovende methode voor het verbeteren van diagnostiek in laserfusieonderzoek.

Ionisatie, het proces waarbij elektronen van atomen worden gestript, voltrekt zich binnen picoseconden - dat is een paar triljoensten van een seconde. Om zulke snelle veranderingen vast te leggen, heb je nog kortere laserpulsen nodig. Dr. Lingen Huang, hoofd experimenten bij de afdeling Hoge-Energiedichtheid van HZDR, legt uit dat de twee gebruikte lasers pulsduur hebben van slechts 25 en 30 femtoseconden - ook triljoensten van een seconde. Met deze ultrakorte pulsen konden onderzoekers plasmaformatie bijna in realtime observeren, als een slow-motion replay van een kosmische explosie, behalve dat de explosie plaatsvindt op een koperdraad van een zevende van de dikte van een mensenhaar.

Het experiment begint met een intense lichtflits die die zeer dunne koperdraad raakt. De geleverde energie is ongeveer 250 biljoen megawatt per vierkante centimeter over een klein gebied gedurende een extreem kort moment - omstandigheden die normaal alleen voorkomen nabij neutronensterren of tijdens gammastralinguitbarstingen. De koperdraad verdampt onmiddellijk en produceert plasma met temperaturen van enkele miljoenen graden. Koperatomen verliezen meerdere elektronen en worden sterk geïoniseerd. Onderzoekers gebruiken vervolgens een tweede laserpuls, gegenereerd door de European XFEL, om het plasma te onderzoeken. Deze puls zendt een intense flits harde röntgenstraling uit. Door vast te leggen hoe deze röntgenstralen interageren met het plasma, leggen wetenschappers een reeks snapshots vast, vergelijkbaar met frames in een film. Deze pump-probe-benadering stelt hen in staat de evolutie van het plasma stap voor stap te volgen.

De röntgenpulsen zijn zorgvuldig afgestemd om te interageren met Cu²²⁺-ionen - koperatomen die 22 elektronen hebben verloren. De fotonenergie van 8,2 kiloelektronvolt komt overeen met een specifieke elektronische overgang in deze ionen, een proces dat bekend staat als resonante absorptie. Na absorptie van de röntgenstralen zenden de ionen hun eigen kenmerkende röntgenstraling uit. 'In ons pump-probe-experiment meten we precies de temporele ontwikkeling van deze gestimuleerde röntgenemissie,' zegt Huang. 'Omdat het ons laat zien hoeveel Cu22+-ionen er op elk moment in het plasma aanwezig zijn.' De metingen onthullen een duidelijke volgorde: direct nadat de laser de draad raakt, beginnen Cu22+-ionen te vormen, pieken na ongeveer twee en een halve picoseconde, en nemen dan gestaag af naarmate recombinatie begint. Binnen ongeveer tien picoseconden verdwijnen deze hooggeladen ionen volledig. 'Niemand heeft ooit zo precies naar dit type ionisatie gekeken,' zegt prof. Tom Cowan, voormalig directeur van het Instituut voor Stralingsfysica bij HZDR.

Computersimulaties hielpen onderzoekers te begrijpen wat dit gedrag aandrijft. De initiële laserpuls stript slechts enkele elektronen van de koperatomen. Deze elektronen dragen hoge energie en bewegen door het materiaal als een golf, waarbij ze extra elektronen van naburige atomen losmaken. 'Ze zijn zo energierijk dat ze zich als een golf verspreiden en steeds meer elektronen uit naburige koperatomen slaan,' legt Cowan uit. Na verloop van tijd verliezen deze elektronen energie en worden ze geleidelijk teruggevangen door de ionen, waardoor de atomen terugkeren naar een neutrale toestand. 'Dit experiment toont aan hoe krachtig onze lasers zijn en effent de weg voor toekomstige laserfusiefaciliteiten,' concludeert dr. Ulf Zastrau, verantwoordelijk voor het HED-HIBEF-experimentstation bij de European XFEL. Laserfusie is immers ook gebaseerd op extreem hete plasma's die worden verhit door lasers en de resulterende elektro