Исследователи из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф совместно с коллегами из проекта Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) изучили процесс ионизации вещества под воздействием сверхмощных лазерных импульсов. Эксперимент, результаты которого представлены в журнале Nature Communications, позволил с высокой точностью зафиксировать превращение твердого тела в плазму – состояние материи, состоящее из свободных ионов и электронов.
Для проведения измерений ученые задействовали две лазерные системы на экспериментальной станции в Шенефельде под Гамбургом. Использование импульсов длительностью от 25 до 30 фемтосекунд позволило наблюдать за физическими процессами, протекающими в течение нескольких пикосекунд (триллионных долей секунды). В качестве мишени использовалась медная проволока толщиной около десяти микрометров, что примерно в семь раз тоньше человеческого волоса. При попадании лазерного луча плотность энергии на поверхности металла достигала 250 триллионов мегаватт на квадратный сантиметр, что сопоставимо с условиями вблизи нейтронных звезд или в момент гамма-всплесков.
Под воздействием экстремального нагрева медь мгновенно испарялась, образуя плазму с температурой в несколько миллионов градусов. В процессе ионизации атомы металла теряли десятки электронов. Чтобы проследить динамику системы, физики применили метод «накачка – зондирование». Первый мощный лазерный удар создавал плазму, а второй, рентгеновский импульс, служил инструментом для фиксации ее состояния в разные моменты времени. Энергия рентгеновского излучения была специально настроена на резонансное поглощение ионами меди, лишенными 22 электронов.
Данные измерений показали, что концентрация таких ионов быстро растет и достигает пика через 2,5 пикосекунды после воздействия лазера. Затем начинается процесс рекомбинации, при котором ионы снова захватывают электроны, и через 10 пикосекунд высокозарядные частицы полностью исчезают. Компьютерное моделирование помогло установить, что ключевым механизмом процесса являются волны высокоэнергетических электронов. Они распространяются в материале, выбивая дополнительные частицы из соседних атомов меди.
Полученные результаты имеют практическое значение для развития технологий управляемого термоядерного синтеза. Понимание механизмов передачи энергии через электронные волны необходимо для проектирования будущих реакторов, где лазерное излучение используется для разогрева топлива до сверхвысоких температур. Точные данные о поведении плазмы в экстремальных условиях позволят ученым создавать более эффективные цифровые модели для оптимизации работы энергетических установок будущего.
