当你用一台威力堪比小恒星的激光器照射一根铜线时，事情会变得很热。非常热。而且很快。非常快。德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的研究人员现在以前所未有的细节捕捉到了这一过程，相关成果发表在《自然·通讯》上。他们将X射线自由电子激光器与高强度光学激光器ReLaX结合，在汉堡附近舍内费尔德的欧洲XFEL设施中，打造了一套高科技的等离子体形成监控系统。这项工作为高能激光与物质在极端条件下的相互作用提供了新见解，更实际的是，它为改进激光聚变研究中的诊断方法引入了一种有前景的手段。

电离，即从原子中剥离电子的过程，发生在皮秒级别——也就是几个万亿分之一秒内。要捕捉如此快速的变化，你需要更短的激光脉冲。HZDR高能量密度部门实验负责人黄林根博士解释说，使用的两台激光器脉冲持续时间分别仅为25和30飞秒——同样是万亿分之一秒。借助这些超短脉冲，研究人员几乎可以实时观察等离子体的形成，就像宇宙爆炸的慢动作回放，只不过这场爆炸发生在一根只有人类头发丝七分之一粗细的铜线上。

实验开始时，一束强光照射在那根极细的铜线上。在极短的时间内，能量密度高达约每平方厘米250万亿兆瓦，覆盖微小区域——这种条件通常只存在于中子星附近或伽马射线暴期间。铜线瞬间汽化，产生温度高达数百万度的等离子体。铜原子失去多个电子，变成高度电离状态。研究人员随后使用欧洲XFEL产生的第二束激光脉冲来检测等离子体。该脉冲发射出强烈的硬X射线闪光。通过记录这些X射线与等离子体的相互作用方式，科学家们捕捉到一系列快照，类似于电影中的帧。这种泵浦-探测方法使他们能够一步步追踪等离子体的演化过程。

X射线脉冲经过精心调谐，与Cu²²⁺离子——即失去了22个电子的铜原子——相互作用。光子能量为8.2千电子伏特，与这些离子中的特定电子跃迁相匹配，这一过程称为共振吸收。吸收X射线后，离子会发射出自己特有的X射线辐射。“在我们的泵浦-探测实验中，我们精确测量了这种受激X射线发射的时间演变，”黄林根说。“因为它向我们展示了等离子体中任意时刻存在多少Cu22+离子。”测量结果揭示了一个清晰的序列：激光击中铜线后，Cu22+离子开始形成，在大约2.5皮秒时达到峰值，然后随着复合开始而稳步下降。在大约十皮秒内，这些高电荷离子完全消失。“以前从未有人如此精确地观察过这种类型的电离，”HZDR辐射物理研究所前所长汤姆·考恩教授说。

计算机模拟帮助研究人员理解了驱动这一行为的机制。初始激光脉冲只从铜原子中剥离了几个电子。这些电子携带高能量，像波一样穿过材料，从相邻原子中撞出更多电子。“它们能量如此之高，以至于像波一样扩散开来，不断从相邻铜原子中撞出更多电子，”考恩解释道。随着时间的推移，这些电子失去能量，逐渐被离子重新捕获，使原子恢复到中性状态。“这项实验证明了我们的激光器有多强大，并为未来的激光聚变设施铺平了道路，”欧洲XFEL的HED-HIBEF实验站负责人乌尔夫·扎斯特劳博士总结道。毕竟，激光聚变也是基于由激光加热产生的极热等离子体以及由此产生的电……