Bir bakır teli küçük bir yıldız kadar güçlü bir lazerle vurduğunuzda, işler ısınır. Çok ısınır. Ve hızlı. Çok hızlı. Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) araştırmacıları, Nature Communications'da bildirildiği üzere, bu süreci şimdiye kadarki en ayrıntılı şekilde yakaladı. Hamburg yakınlarındaki Schenefeld'deki Avrupa XFEL'de bir X-ışını serbest elektron lazerini yüksek yoğunluklu optik lazer ReLaX ile birleştirerek plazma oluşumu için bir tür yüksek teknoloji gözetim sistemi oluşturdular. Çalışma, yüksek enerjili lazerlerin aşırı koşullar altında maddeyle nasıl etkileşime girdiğine dair yeni bilgiler sunuyor ve daha pratik olarak, lazer füzyon araştırmalarında teşhis yöntemlerini iyileştirmek için umut verici bir yöntem tanıtıyor.

İyonizasyon, yani atomlardan elektronları sıyırma işlemi, pikosaniyeler içinde gerçekleşir - bu, saniyenin birkaç trilyonda biridir. Bu kadar hızlı değişimleri yakalamak için daha da kısa lazer darbelerine ihtiyacınız var. HZDR'nin Yüksek Enerji Yoğunluğu Bölümü'nde deney başkanı Dr. Lingen Huang, kullanılan iki lazerin darbe sürelerinin sadece 25 ve 30 femtosaniye olduğunu - yine saniyenin trilyonda biri - açıklıyor. Bu ultra kısa darbelerle araştırmacılar, plazma oluşumunu neredeyse gerçek zamanlı olarak, bir kozmik patlamanın ağır çekim tekrarı gibi gözlemleyebildiler, ancak patlama insan saçının yedide biri kalınlığındaki bir bakır tel üzerinde gerçekleşiyor.

Deney, çok ince bir bakır tele yoğun bir ışık patlamasının çarpmasıyla başlıyor. Sağlanan enerji, son derece kısa bir an için küçük bir alanda santimetrekare başına yaklaşık 250 trilyon megawatt - genellikle yalnızca nötron yıldızlarının yakınında veya gama ışını patlamaları sırasında bulunan koşullar. Bakır tel anında buharlaşarak birkaç milyon derece sıcaklıkta plazma üretiyor. Bakır atomları birden fazla elektron kaybederek yüksek oranda iyonize hale geliyor. Araştırmacılar daha sonra plazmayı incelemek için Avrupa XFEL tarafından üretilen ikinci bir lazer darbesi kullanıyor. Bu darbe, yoğun bir sert X-ışını flaşı yayar. Bilim insanları, bu X-ışınlarının plazma ile nasıl etkileşime girdiğini kaydederek, bir filmdeki kareler gibi bir dizi anlık görüntü yakalar. Bu pompa-prob yaklaşımı, plazmanın evrimini adım adım takip etmelerini sağlar.

X-ışını darbeleri, 22 elektron kaybetmiş bakır atomları olan Cu²²⁺ iyonları ile etkileşime girecek şekilde dikkatlice ayarlanır. 8.2 kiloelektronvolt foton enerjisi, bu iyonlarda belirli bir elektronik geçişle eşleşir; bu süreç rezonans absorpsiyonu olarak bilinir. X-ışınlarını emdikten sonra iyonlar kendilerine özgü X-ışını radyasyonu yayar. 'Pompa-prob deneyimizde, bu uyarılmış X-ışını emisyonunun zamansal gelişimini tam olarak ölçüyoruz,' diyor Huang. 'Çünkü bize plazmada herhangi bir anda kaç tane Cu22+ iyonu bulunduğunu gösteriyor.' Ölçümler net bir sıra ortaya koyuyor: Lazer tele çarptıktan hemen sonra Cu22+ iyonları oluşmaya başlıyor, yaklaşık iki buçuk pikosaniyede zirveye ulaşıyor ve ardından rekombinasyon başladıkça istikrarlı bir şekilde azalıyor. Yaklaşık on pikosaniye içinde bu yüksek yüklü iyonlar tamamen kayboluyor. 'Daha önce hiç kimse bu tür iyonizasyonu bu kadar hassas bir şekilde incelememişti,' diyor HZDR Radyasyon Fiziği Enstitüsü eski direktörü Prof. Tom Cowan.

Bilgisayar simülasyonları, araştırmacıların bu davranışı neyin yönlendirdiğini anlamalarına yardımcı oldu. İlk lazer darbesi bakır atomlarından yalnızca birkaç elektronu sıyırır. Bu elektronlar yüksek enerji taşır ve malzeme içinde bir dalga gibi hareket ederek komşu atomlardan ek elektronları koparır. 'O kadar enerji yüklüler ki bir dalga gibi yayılıyor ve komşu bakır atomlarından giderek daha fazla elektron koparıyorlar,' diye açıklıyor Cowan. Zamanla bu elektronlar enerji kaybeder ve kademeli olarak iyonlar tarafından yeniden yakalanarak atomları nötr duruma döndürür. 'Bu deney, lazerlerimizin ne kadar güçlü olduğunu gösteriyor ve gelecekteki lazer füzyon tesislerinin önünü açıyor,' diye bitiriyor Avrupa XFEL'de HED-HIBEF deney istasyonundan sorumlu Dr. Ulf Zastrau. Lazer füzyonu, sonuçta, lazerlerle ısıtılan aşırı sıcak plazmalara ve ortaya çıkan elektro...