När man zappar en koppartråd med en laser ungefär lika kraftfull som en liten stjärna, blir det hett. Mycket hett. Och snabbt. Mycket snabbt. Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu fångat denna process med oöverträffad detaljrikedom, som rapporteras i Nature Communications. De kombinerade en röntgenfri-elektronlaser med den högintensiva optiska lasern ReLaX vid European XFEL i Schenefeld nära Hamburg, vilket skapade ett slags högteknologiskt övervakningssystem för plasmabildning. Arbetet ger ny insikt i hur högenergilasrar interagerar med materia under extrema förhållanden och, mer praktiskt, introducerar en lovande metod för att förbättra diagnostik inom laserfusionsforskning.

Jonisering, processen att slita elektroner från atomer, utspelar sig inom pikosekunder – det är några biljondelar av en sekund. För att fånga så snabba förändringar behöver man ännu kortare laserpulser. Dr. Lingen Huang, chef för experiment vid HZDR:s avdelning för högenergidensitet, förklarar att de två lasrarna har pulslängder på bara 25 respektive 30 femtosekunder – också biljondelar av en sekund. Med dessa ultrakorta pulser kunde forskarna observera plasmabildning nästan i realtid, som en slow motion-repris av en kosmisk explosion, förutom att explosionen sker på en koppartråd som är en sjundedel så tjock som ett människohår.

Experimentet börjar med en intensiv ljusskur som träffar den mycket tunna koppartråden. Energin som levereras är cirka 250 biljoner megawatt per kvadratcentimeter över ett litet område under ett extremt kort ögonblick – förhållanden som vanligtvis bara finns nära neutronstjärnor eller under gammablixtar. Koppartråden förångas omedelbart och producerar plasma med temperaturer på flera miljoner grader. Kopparatomer förlorar flera elektroner och blir högt joniserade. Forskarna använder sedan en andra laserpuls, genererad av European XFEL, för att undersöka plasmat. Denna puls avger en intensiv blixt av hård röntgenstrålning. Genom att registrera hur dessa röntgenstrålar interagerar med plasmat fångar forskarna en sekvens av ögonblicksbilder, liknande bildrutor i en film. Denna pump-prob-metod gör att de kan följa plasmats utveckling steg för steg.

Röntgenpulserna är noggrant avstämda för att interagera med Cu²²⁺-joner – kopparatomer som har förlorat 22 elektroner. Fotonenergin på 8,2 kiloelektronvolt matchar en specifik elektronövergång i dessa joner, en process som kallas resonansabsorption. Efter att ha absorberat röntgenstrålarna avger jonerna sin egen distinkta röntgenstrålning. 'I vårt pump-prob-experiment mäter vi exakt den tidsmässiga utvecklingen av denna stimulerade röntgenemission,' säger Huang. 'Eftersom den visar oss hur många Cu22+-joner som finns i plasmat vid varje given tidpunkt.' Mätningarna avslöjar en tydlig sekvens: direkt efter att lasern träffar tråden börjar Cu22+-joner bildas, når en topp vid ungefär två och en halv pikosekund, och minskar sedan stadigt när rekombinationen börjar. Inom ungefär tio pikosekunder försvinner dessa högt laddade joner helt. 'Ingen har någonsin tittat på denna typ av jonisering så noggrant tidigare,' säger prof. Tom Cowan, tidigare direktör för institutet för strålningsfysik vid HZDR.

Datasimuleringar hjälpte forskarna att förstå vad som driver detta beteende. Den initiala laserpulsen sliter bara några få elektroner från kopparatomerna. Dessa elektroner bär hög energi och rör sig genom materialet som en våg, och slår loss ytterligare elektroner från närliggande atomer. 'De är så energirika att de sprider sig som en våg och slår ut allt fler elektroner ur närliggande kopparatomer,' förklarar Cowan. Med tiden förlorar dessa elektroner energi och återfångas gradvis av jonerna, vilket återför atomerna till ett neutralt tillstånd. 'Detta experiment visar hur kraftfulla våra lasrar är och banar väg för framtida laserfusionsanläggningar,' avslutar Dr. Ulf Zastrau, ansvarig för HED-HIBEF-experimentstationen vid European XFEL. Laserfusion bygger trots allt också på extremt heta plasman som värms upp av lasrar och den resulterande elektro