Лазер превратил металл в звездоподобную плазму за триллионные доли секунды

Исследователи из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) впервые с беспрецедентной детализацией зафиксировали процесс ионизации металла под воздействием мощного лазера. Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature Communications, открывают новые возможности для диагностики в исследованиях лазерного термоядерного синтеза.

Для эксперимента ученые объединили два передовых лазерных комплекса на станции HED-HiBEF Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) в Шенефельде: рентгеновский лазер и мощный оптический лазер ReLaX. Ионизация, в ходе которой электроны покидают свои позиции вокруг атомных ядер, происходит за пикосекунды — триллионные доли секунды. Чтобы запечатлеть этот процесс, ученые использовали импульсы длительностью всего 25 и 30 фемтосекунд.

«Именно такие условия обеспечивают два лазера с длительностью импульсов всего 25 и 30 фемтосекунд — то есть триллионных долей секунды», — объясняет доктор Линген Хуан, руководитель экспериментального отдела HZDR.

В ходе эксперимента мощный лазерный импульс был направлен на тончайшую медную проволоку (толщиной в одну седьмую человеческого волоса). Энергия воздействия достигла колоссальных 250 триллионов мегаватт на квадратный сантиметр — условия, сравнимые с процессами вблизи нейтронных звезд или во время гамма-всплесков. Проволока мгновенно испарилась, образовав плазму с температурой в несколько миллионов градусов, в результате чего атомы меди потеряли множество электронов и стали сильно ионизированными.

Второй лазерный импульс (зондирующий), генерируемый European XFEL, испускал мощную вспышку жесткого рентгеновского излучения. Ученые регистрировали взаимодействие этих рентгеновских лучей с плазмой, получая серию «снимков», подобных кадрам в фильме. Рентгеновские импульсы были точно настроены на взаимодействие с ионами Cu²²⁺ (атомы меди, потерявшие 22 электрона). Энергия фотонов в 8,2 килоэлектронвольта соответствовала специфическому электронному переходу в этих ионах — процессу, известному как резонансное поглощение.

«В нашем эксперименте мы точно измерили временное развитие этой стимулированной рентгеновской эмиссии, — говорит Хуан. — Поскольку она показывает нам, сколько ионов Cu²²⁺ присутствует в плазме в любой момент времени».

Измерения выявили четкую последовательность событий. Сразу после удара лазера по проволоке начали формироваться ионы Cu²²⁺. Их количество быстро росло, достигнув пика примерно через две с половиной пикосекунды. После этого началась рекомбинация, и число ионов неуклонно снижалось. Примерно через десять пикосекунд эти сильно заряженные ионы полностью исчезли.

«Никто никогда раньше не изучал этот тип ионизации так точно», — отмечает профессор Том Коуэн, бывший директор Института радиационной физики HZDR.

Компьютерное моделирование показало, что движущей силой процесса являются электронные волны. Первоначальный лазерный импульс выбивает лишь несколько электронов из атомов меди. Эти высокоэнергетические электроны распространяются через материал подобно волне, выбивая дополнительные электроны из соседних атомов. Со временем они теряют энергию и постепенно захватываются ионами обратно.

«Они настолько богаты энергией, что распространяются как волна и выбивают все больше и больше электронов из соседних атомов меди», — объясняет Коуэн.

Результаты эксперимента имеют прямое значение для исследований лазерного термоядерного синтеза, который также основан на экстремально горячей плазме, нагреваемой лазерами и возникающими электронными волнами.

«Этот эксперимент демонстрирует, насколько мощны наши лазеры, и прокладывает путь для будущих установок лазерного термоядерного синтеза, — заключает доктор Ульф Цастрау, ответственный за станцию HED-HIBEF в European XFEL. — Благодаря нашим новым конкретным данным мы теперь можем сосредоточиться на дальнейшем совершенствовании симуляций этих процессов».