Когда вы стреляете по куску медной проволоки лазером мощностью примерно с небольшую звезду, становится жарко. Очень жарко. И быстро. Очень быстро. Исследователи из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) теперь засняли этот процесс с беспрецедентной детализацией, как сообщается в Nature Communications. Они объединили рентгеновский лазер на свободных электронах с высокоинтенсивным оптическим лазером ReLaX на Европейском XFEL в Шенефельде под Гамбургом, создав своего рода высокотехнологичную систему наблюдения за образованием плазмы. Работа даёт новое понимание того, как высокоэнергетические лазеры взаимодействуют с веществом в экстремальных условиях и, что более практично, предлагает многообещающий метод улучшения диагностики в исследованиях лазерного термоядерного синтеза.

Ионизация, процесс отрыва электронов от атомов, разворачивается в течение пикосекунд — это несколько триллионных долей секунды. Чтобы зафиксировать такие быстрые изменения, нужны ещё более короткие лазерные импульсы. Доктор Линген Хуан, руководитель экспериментов в отделе высоких плотностей энергии HZDR, объясняет, что два используемых лазера имеют длительность импульсов всего 25 и 30 фемтосекунд — тоже триллионные доли секунды. С помощью этих сверхкоротких импульсов исследователи могли наблюдать образование плазмы почти в реальном времени, как замедленное воспроизведение космического взрыва, только взрыв происходит на медной проволоке толщиной в одну седьмую человеческого волоса.

Эксперимент начинается с интенсивной вспышки света, ударяющей по этой очень тонкой медной проволоке. Доставляемая энергия составляет около 250 триллионов мегаватт на квадратный сантиметр на крошечной площади в течение чрезвычайно короткого момента — условия, обычно встречающиеся только вблизи нейтронных звёзд или во время гамма-всплесков. Медная проволока мгновенно испаряется, производя плазму с температурой в несколько миллионов градусов. Атомы меди теряют множество электронов и становятся сильно ионизированными. Затем исследователи используют второй лазерный импульс, генерируемый Европейским XFEL, чтобы исследовать плазму. Этот импульс испускает интенсивную вспышку жёстких рентгеновских лучей. Записывая, как эти рентгеновские лучи взаимодействуют с плазмой, учёные получают последовательность снимков, похожих на кадры в фильме. Этот метод накачки-зондирования позволяет им шаг за шагом проследить эволюцию плазмы.

Рентгеновские импульсы тщательно настроены на взаимодействие с ионами Cu²²⁺ — атомами меди, потерявшими 22 электрона. Энергия фотонов 8,2 килоэлектронвольта соответствует определённому электронному переходу в этих ионах, процессу, известному как резонансное поглощение. После поглощения рентгеновских лучей ионы испускают собственное характерное рентгеновское излучение. «В нашем эксперименте накачки-зондирования мы точно измеряем временное развитие этого стимулированного рентгеновского излучения», — говорит Хуан. «Потому что оно показывает нам, сколько ионов Cu22+ присутствует в плазме в данный момент». Измерения выявляют чёткую последовательность: сразу после удара лазера по проволоке начинают формироваться ионы Cu22+, достигая пика примерно через две с половиной пикосекунды, а затем неуклонно снижаясь по мере начала рекомбинации. Примерно через десять пикосекунд эти сильно заряженные ионы полностью исчезают. «Никто никогда не рассматривал этот тип ионизации так точно прежде», — говорит профессор Том Коуэн, бывший директор Института радиационной физики в HZDR.

Компьютерное моделирование помогло исследователям понять, что движет этим поведением. Первоначальный лазерный импульс отрывает лишь несколько электронов от атомов меди. Эти электроны несут высокую энергию и движутся через материал, как волна, выбивая дополнительные электроны из соседних атомов. «Они настолько богаты энергией, что распространяются, как волна, и выбивают всё больше электронов из соседних атомов меди», — объясняет Коуэн. Со временем эти электроны теряют энергию и постепенно захватываются ионами, возвращая атомы в нейтральное состояние. «Этот эксперимент демонстрирует, насколько мощны наши лазеры, и прокладывает путь для будущих установок лазерного термоядерного синтеза», — заключает доктор Ульф Цастрау, ответственный за экспериментальную станцию HED-HIBEF на Европейском XFEL. Лазерный термоядерный синтез, в конце концов, также основан на чрезвычайно горячей плазме, нагреваемой лазерами, и возникающем в результате электро...