Quando você zapa um pedaço de fio de cobre com um laser aproximadamente tão poderoso quanto uma pequena estrela, as coisas esquentam. Muito. E rápido. Muito rápido. Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) agora capturaram esse processo com detalhes sem precedentes, conforme relatado na Nature Communications. Eles combinaram um laser de elétrons livres de raios-X com o laser óptico de alta intensidade ReLaX no European XFEL em Schenefeld, perto de Hamburgo, criando uma espécie de sistema de vigilância de alta tecnologia para a formação de plasma. O trabalho oferece novos insights sobre como lasers de alta energia interagem com a matéria sob condições extremas e, mais praticamente, introduz um método promissor para melhorar diagnósticos em pesquisa de fusão a laser.

Ionização, o processo de arrancar elétrons dos átomos, ocorre em picossegundos — alguns trilionésimos de segundo. Para capturar mudanças tão rápidas, você precisa de pulsos de laser ainda mais curtos. O Dr. Lingen Huang, chefe de experimentação da Divisão de Alta Densidade de Energia do HZDR, explica que os dois lasers usados têm durações de pulso de apenas 25 e 30 femtossegundos — também trilionésimos de segundo. Com esses pulsos ultracurtos, os pesquisadores puderam observar a formação de plasma quase em tempo real, como um replay em câmera lenta de uma explosão cósmica, exceto que a explosão acontece em um fio de cobre com um sétimo da espessura de um fio de cabelo humano.

O experimento começa com uma rajada intensa de luz atingindo aquele fio de cobre muito fino. A energia entregue é de cerca de 250 trilhões de megawatts por centímetro quadrado sobre uma área minúscula por um momento extremamente breve — condições geralmente encontradas apenas perto de estrelas de nêutrons ou durante explosões de raios gama. O fio de cobre vaporiza instantaneamente, produzindo plasma com temperaturas de vários milhões de graus. Os átomos de cobre perdem múltiplos elétrons e se tornam altamente ionizados. Os pesquisadores então usam um segundo pulso de laser, gerado pelo European XFEL, para examinar o plasma. Esse pulso emite um flash intenso de raios-X duros. Ao registrar como esses raios-X interagem com o plasma, os cientistas capturam uma sequência de instantâneos, semelhantes a quadros de um filme. Essa abordagem de bombeamento e sondagem permite que eles acompanhem a evolução do plasma passo a passo.

Os pulsos de raios-X são cuidadosamente ajustados para interagir com íons Cu²²⁺ — átomos de cobre que perderam 22 elétrons. A energia do fóton de 8,2 quiloeletronvolts corresponde a uma transição eletrônica específica nesses íons, um processo conhecido como absorção ressonante. Após absorver os raios-X, os íons emitem sua própria radiação de raios-X característica. 'Em nosso experimento de bombeamento e sondagem, medimos exatamente o desenvolvimento temporal dessa emissão de raios-X estimulada', diz Huang. 'Porque ela nos mostra quantos íons Cu22+ estão presentes no plasma a qualquer momento.' As medições revelam uma sequência clara: logo após o laser atingir o fio, os íons Cu22+ começam a se formar, atingindo o pico em cerca de dois picossegundos e meio, depois diminuindo constantemente à medida que a recombinação começa. Dentro de aproximadamente dez picossegundos, esses íons altamente carregados desaparecem completamente. 'Ninguém jamais olhou para esse tipo de ionização com tanta precisão antes', diz o Prof. Tom Cowan, ex-diretor do Instituto de Física de Radiação do HZDR.

Simulações de computador ajudaram os pesquisadores a entender o que impulsiona esse comportamento. O pulso de laser inicial arranca apenas alguns elétrons dos átomos de cobre. Esses elétrons carregam alta energia e se movem pelo material como uma onda, arrancando elétrons adicionais de átomos vizinhos. 'Eles são tão ricos em energia que se espalham como uma onda e arrancam cada vez mais elétrons de átomos de cobre vizinhos', explica Cowan. Com o tempo, esses elétrons perdem energia e são gradualmente recapturados pelos íons, retornando os átomos a um estado neutro. 'Este experimento demonstra quão poderosos são nossos lasers e abre caminho para futuras instalações de fusão a laser', conclui o Dr. Ulf Zastrau, responsável pela estação experimental HED-HIBEF no European XFEL. Afinal, a fusão a laser também é baseada em plasmas extremamente quentes aquecidos por lasers e na eletro