Kiedy postrzelisz kawałek miedzianego drutu laserem mniej więcej tak potężnym jak mała gwiazda, robi się gorąco. Bardzo gorąco. I szybko. Bardzo szybko. Naukowcy z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) uchwycili teraz ten proces z niespotykaną dotąd szczegółowością, jak donosi Nature Communications. Połączyli laser na swobodnych elektronach z laserem optycznym dużej mocy ReLaX w Europejskim XFEL w Schenefeld koło Hamburga, tworząc swego rodzaju zaawansowany technologicznie system nadzoru nad powstawaniem plazmy. Praca ta daje nowy wgląd w to, jak lasery dużej mocy oddziałują z materią w ekstremalnych warunkach i, bardziej praktycznie, wprowadza obiecującą metodę ulepszania diagnostyki w badaniach nad fuzją laserową.

Jonizacja, proces odrywania elektronów od atomów, zachodzi w pikosekundach – to kilka bilionowych części sekundy. Aby uchwycić tak szybkie zmiany, potrzebne są jeszcze krótsze impulsy laserowe. Dr Lingen Huang, kierownik eksperymentów w Dziale Gęstości Wysokiej Energii HZDR, wyjaśnia, że dwa użyte lasery mają czasy trwania impulsów wynoszące zaledwie 25 i 30 femtosekund – również bilionowych części sekundy. Dzięki tym ultrakrótkim impulsom badacze mogli obserwować powstawanie plazmy niemal w czasie rzeczywistym, jak spowolniony powtórka kosmicznej eksplozji, z tą różnicą, że eksplozja zachodzi na miedzianym drucie o grubości jednej siódmej ludzkiego włosa.

Eksperyment rozpoczyna się od intensywnego impulsu światła uderzającego w ten bardzo cienki miedziany drut. Dostarczona energia wynosi około 250 bilionów megawatów na centymetr kwadratowy na maleńkim obszarze przez niezwykle krótką chwilę – warunki zwykle spotykane tylko w pobliżu gwiazd neutronowych lub podczas rozbłysków gamma. Miedziany drut natychmiast odparowuje, wytwarzając plazmę o temperaturze kilku milionów stopni. Atomy miedzi tracą wiele elektronów i stają się silnie zjonizowane. Naukowcy używają następnie drugiego impulsu laserowego, generowanego przez Europejski XFEL, do zbadania plazmy. Impuls ten emituje intensywny błysk twardego promieniowania rentgenowskiego. Rejestrując, jak to promieniowanie rentgenowskie oddziałuje z plazmą, naukowcy przechwytują sekwencję migawek, podobną do klatek filmu. To podejście pomp-sonda pozwala im śledzić ewolucję plazmy krok po kroku.

Impulsy rentgenowskie są starannie dostrojone do oddziaływania z jonami Cu²²⁺ – atomami miedzi, które straciły 22 elektrony. Energia fotonu wynosząca 8,2 kiloelektronowolta odpowiada konkretnemu przejściu elektronowemu w tych jonach, procesowi znanemu jako absorpcja rezonansowa. Po pochłonięciu promieniowania rentgenowskiego jony emitują własne charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. 'W naszym eksperymencie pomp-sonda dokładnie mierzymy rozwój czasowy tej stymulowanej emisji rentgenowskiej' – mówi Huang. 'Ponieważ pokazuje nam, ile jonów Cu22+ jest obecnych w plazmie w danym momencie.' Pomiary ujawniają wyraźną sekwencję: zaraz po uderzeniu lasera w drut zaczynają tworzyć się jony Cu22+, osiągając szczyt po około dwóch i pół pikosekundach, a następnie systematycznie malejąc, gdy rozpoczyna się rekombinacja. W ciągu mniej więcej dziesięciu pikosekund te wysoko naładowane jony znikają całkowicie. 'Nikt nigdy wcześniej nie przyglądał się tak dokładnie tego typu jonizacji' – mówi prof. Tom Cowan, były dyrektor Instytutu Fizyki Promieniowania w HZDR.

Symulacje komputerowe pomogły naukowcom zrozumieć, co napędza to zachowanie. Początkowy impuls laserowy odrywa tylko kilka elektronów od atomów miedzi. Elektrony te niosą wysoką energię i przemieszczają się przez materiał jak fala, wybijając dodatkowe elektrony z sąsiednich atomów. 'Są tak bogate w energię, że rozprzestrzeniają się jak fala i wybijają coraz więcej elektronów z sąsiednich atomów miedzi' – wyjaśnia Cowan. Z czasem elektrony te tracą energię i są stopniowo przechwytywane przez jony, przywracając atomy do stanu neutralnego. 'Ten eksperyment pokazuje, jak potężne są nasze lasery i toruje drogę dla przyszłych instalacji fuzyjnych' – podsumowuje dr Ulf Zastrau, odpowiedzialny za stację eksperymentalną HED-HIBEF w Europejskim XFEL. Fuzja laserowa, wszakże, również opiera się na niezwykle gorących plazmach ogrzewanych laserami i wynikającej z tego elektro...