Când zăpălești o bucată de sârmă de cupru cu un laser aproximativ la fel de puternic ca o stea mică, lucrurile devin fierbinți. Foarte fierbinți. Și rapide. Foarte rapide. Cercetătorii de la Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) au capturat acum acest proces cu un detaliu fără precedent, după cum se raportează în Nature Communications. Au combinat un laser cu electroni liberi în domeniul razelor X cu laserul optic de înaltă intensitate ReLaX la European XFEL din Schenefeld, lângă Hamburg, creând un fel de sistem de supraveghere high-tech pentru formarea plasmei. Lucrarea oferă o nouă perspectivă asupra modului în care laserele de înaltă energie interacționează cu materia în condiții extreme și, mai practic, introduce o metodă promițătoare pentru îmbunătățirea diagnosticelor în cercetarea fuziunii cu laser.

Ionizarea, procesul de îndepărtare a electronilor din atomi, se desfășoară în câteva picosecunde – adică câteva trilionimi de secundă. Pentru a capta astfel de schimbări rapide, ai nevoie de impulsuri laser și mai scurte. Dr. Lingen Huang, șeful experimentării la Divizia de Densitate Energetică Înaltă a HZDR, explică faptul că cele două lasere utilizate au durate ale impulsului de doar 25 și 30 de femtosecunde – tot trilionimi de secundă. Cu aceste impulsuri ultrascurte, cercetătorii au putut observa formarea plasmei aproape în timp real, ca o reluare încetinită a unei explozii cosmice, doar că explozia are loc pe o sârmă de cupru de o șeptime din grosimea unui fir de păr uman.

Experimentul începe cu un impuls intens de lumină care lovește acea sârmă foarte subțire de cupru. Energia livrată este de aproximativ 250 de trilioane de megawați pe centimetru pătrat pe o suprafață mică pentru un moment extrem de scurt – condiții întâlnite de obicei doar în apropierea stelelor neutronice sau în timpul exploziilor de raze gamma. Sârma de cupru se vaporizează instantaneu, producând plasmă cu temperaturi de câteva milioane de grade. Atomii de cupru pierd mai mulți electroni și devin puternic ionizați. Cercetătorii folosesc apoi un al doilea impuls laser, generat de European XFEL, pentru a examina plasma. Acest impuls emite o străfulgerare intensă de raze X dure. Înregistrând modul în care aceste raze X interacționează cu plasma, oamenii de știință captează o serie de instantanee, similare cadrelor dintr-un film. Această abordare pompă-sondă le permite să urmărească evoluția plasmei pas cu pas.

Impulsurile de raze X sunt atent reglate pentru a interacționa cu ionii Cu²²⁺ – atomi de cupru care au pierdut 22 de electroni. Energia fotonilor de 8,2 kiloelectronvolți se potrivește cu o tranziție electronică specifică în acești ioni, un proces cunoscut sub numele de absorbție rezonantă. După absorbirea razelor X, ionii emit propria lor radiație distinctivă de raze X. „În experimentul nostru pompă-sondă, măsurăm exact evoluția temporală a acestei emisii de raze X stimulate”, spune Huang. „Pentru că ne arată câți ioni Cu22+ sunt prezenți în plasmă la un moment dat.” Măsurătorile dezvăluie o secvență clară: imediat după ce laserul lovește sârma, ionii Cu22+ încep să se formeze, atingând un vârf la aproximativ două picosecunde și jumătate, apoi scad constant pe măsură ce începe recombinarea. În aproximativ zece picosecunde, acești ioni puternic încărcați dispar complet. „Nimeni nu a mai privit acest tip de ionizare atât de precis înainte”, spune Prof. Tom Cowan, fost director al Institutului de Fizică a Radiațiilor de la HZDR.

Simulările pe calculator i-au ajutat pe cercetători să înțeleagă ce determină acest comportament. Impulsul laser inițial îndepărtează doar câțiva electroni din atomii de cupru. Acești electroni poartă energie ridicată și se deplasează prin material ca un val, eliminând electroni suplimentari din atomii vecini. „Sunt atât de bogați în energie încât se răspândesc ca un val și scot din ce în ce mai mulți electroni din atomii de cupru vecini”, explică Cowan. În timp, acești electroni pierd energie și sunt recapturați treptat de ioni, readucând atomii la o stare neutră. „Acest experiment demonstrează cât de puternice sunt laserele noastre și deschide calea pentru viitoare instalații de fuziune cu laser”, concluzionează Dr. Ulf Zastrau, responsabil pentru stația experimentală HED-HIBEF de la European XFEL. La urma urmei, fuziunea cu laser se bazează și pe plasme extrem de fierbinți încălzite de lasere și pe electro