Исследователи из Гельмгольц-центра в Дрездене-Россендорфе (HZDR) впервые смогли зафиксировать процесс ионизации, возникающий при взаимодействии мощных лазерных импульсов с веществом, с беспрецедентной детализацией. Результаты их работы, опубликованные в Nature Communications, открывают новые возможности для понимания экстремальных состояний материи и улучшения диагностики в исследованиях лазерного термоядерного синтеза. Когда сверхмощные лазерные вспышки попадают на материал, они выбивают электроны из атомов, создавая плазму — чрезвычайно горячее состояние, состоящее из заряженных частиц.
Для проведения эксперимента команда объединила два передовых лазерных комплекса: рентгеновский лазер на свободных электронах и высокоинтенсивный оптический лазер ReLaX. Оба использовались на экспериментальной станции HED-HiBEF, расположенной в Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (European XFEL) недалеко от Гамбурга. Ионизация происходит невероятно быстро — за пикосекунды, то есть за триллионные доли секунды, поэтому исследователям потребовались лазерные импульсы еще короче: продолжительностью всего 25-30 фемтосекунд.
В ходе эксперимента мощный лазерный импульс ударил по тончайшей медной проволоке — примерно в семь раз тоньше человеческого волоса — создавая на крошечной области мощность около 250 триллионов мегаватт на квадратный сантиметр в течение кратчайшего мгновения. Выбор меди не случаен: ионы Cu²⁺ обладают простой электронной конфигурацией, что делает их спектр легко предсказуемым и интерпретируемым, а высокая интенсивность спектральных линий в рентгеновском диапазоне позволяет четко фиксировать процессы. Такие условия обычно встречаются только в экстремальных космических объектах, например, возле нейтронных звезд или при гамма-всплесках. Проволока мгновенно испарилась, образовав плазму с температурой в несколько миллионов градусов, при этом атомы меди потеряли множество электронов.
Затем исследователи использовали второй импульс — зондирующий, полученный от European XFEL, который испускал интенсивный поток жестких рентгеновских лучей. Анализируя взаимодействие этих лучей с плазмой, ученые смогли создать серию покадровых снимков, как в замедленной съемке. Рентгеновские импульсы были настроены на взаимодействие с ионами Cu²²⁺ — атомами меди, потерявшими 22 электрона — через процесс резонансного поглощения при энергии фотона 8,2 килоэлектронвольта.
Измерения показали четкую последовательность событий: ионы Cu²²⁺ начали формироваться сразу после лазерного удара, достигли пика примерно через 2,5 пикосекунды, а затем начали постепенно исчезать по мере рекомбинации. Компьютерное моделирование помогло понять, что начальный импульс выбивает лишь несколько электронов, после чего эти высокоэнергетические частицы распространяются сквозь материал подобно волне, выбивая дополнительные электроны из соседних атомов. Примерно через десять пикосекунд высокозаряженные ионы полностью исчезают.
Эти открытия имеют прямое значение для исследований лазерного термоядерного синтеза, который также основан на нагреве плазмы лазерами и возникающих электронных волнах. В таких установках мишень из дейтерия и трития нагревается и сжимается лазерами, создавая горячую плазму с многозарядными ионами, а зафиксированные в эксперименте процессы — например, захват электронов или излучение рентгеновских переходов — используются для диагностики плотности и температуры плазмы, что критически важно для контроля термоядерных реакций. Благодаря полученным данным ученые смогут уточнить компьютерные модели этих процессов, что необходимо для создания эффективных и надежных термоядерных реакторов в будущем. «Этот эксперимент демонстрирует мощь наших лазеров и открывает путь для будущих установок лазерного синтеза», — подчеркивает доктор Ульф Цастрау из European XFEL.
Источник: This laser turns metal into a star-like plasma in trillionths of a second