Quando intensi impulsi laser colpiscono la materia, possono spostare gli elettroni dalle loro posizioni attorno ai nuclei atomici. Questo processo crea il plasma, uno stato estremamente caldo composto da particelle cariche note come ioni ed elettroni. I ricercatori dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sono ora riusciti a catturare questo processo di ionizzazione con un livello di dettaglio senza precedenti, come riportato sulla rivista Nature Communications .
Per raggiungere questo obiettivo, il team ha combinato due sistemi laser avanzati: un laser a elettroni liberi a raggi X e il laser ottico ad alta intensità ReLaX. Entrambi sono stati utilizzati presso la stazione sperimentale HED-HiBEF dell’European XFEL a Schenefeld, vicino ad Amburgo. Il loro lavoro fornisce nuove informazioni su come i laser ad alta energia interagiscono con la materia in condizioni estreme. Introduce inoltre un metodo promettente per migliorare la diagnostica nella ricerca sulla fusione laser.
Tracciamento dell’ionizzazione in trilionesimi di secondo
L’ionizzazione avviene incredibilmente in fretta, nell’arco di picosecondi, ovvero pochi trilionesimi di secondo. Catturare cambiamenti così rapidi richiede impulsi laser ancora più brevi.
“Queste sono esattamente le condizioni fornite dai due laser che hanno durate di impulso di soli 25 e 30 femtosecondi, ovvero trilionesimi di secondo”, spiega il dottor Lingen Huang, responsabile della sperimentazione presso la Divisione ad Alta Densità di Energia dell’HZDR.
Grazie a questi impulsi ultracorti, i ricercatori hanno potuto osservare come si forma e si evolve il plasma quasi in tempo reale.
Trasformare un filo di rame in plasma surriscaldato
L’esperimento inizia con un intenso impulso di luce che colpisce un sottilissimo filo di rame, circa un settimo dello spessore di un capello umano. L’energia sprigionata è immensa, raggiungendo circa 250 trilioni di megawatt per centimetro quadrato su una superficie minuscola per un brevissimo istante. Tali condizioni si riscontrano solitamente solo in ambienti cosmici estremi, come in prossimità di stelle di neutroni o durante i lampi gamma.
Il filo di rame vaporizza all’istante, producendo un plasma con temperature di diversi milioni di gradi. In questo processo, gli atomi di rame perdono numerosi elettroni e diventano altamente ionizzati.
I ricercatori utilizzano quindi un secondo impulso laser, chiamato impulso di sonda, per esaminare il plasma. Questo impulso, generato dall’European XFEL, emette un intenso lampo di raggi X duri. Registrando il modo in cui questi raggi X interagiscono con il plasma, gli scienziati possono catturare una sequenza di istantanee, simili ai fotogrammi di un film. Questo approccio pump-probe consente loro di seguire l’evoluzione del plasma passo dopo passo.
Misurazione di ioni di rame altamente carichi
Gli impulsi di raggi X sono accuratamente sintonizzati per interagire con gli ioni Cu²²⁺, atomi di rame che hanno perso 22 elettroni. L’energia dei fotoni di 8,2 kiloelettronvolt corrisponde a una specifica transizione elettronica in questi ioni, un processo noto come assorbimento risonante.
Dopo aver assorbito i raggi X, gli ioni emettono una propria radiazione X caratteristica.
“Nel nostro esperimento pump-probe, misuriamo esattamente lo sviluppo temporale di questa emissione di raggi X stimolata”, afferma Huang. “Perché ci mostra quanti Cu 22+ Gli ioni sono presenti nel plasma in qualsiasi momento.
Una cronologia precisa dell’evoluzione del plasma
Le misurazioni rivelano una chiara sequenza di eventi. Subito dopo che il laser colpisce il filo, Cu 22+ Gli ioni iniziano a formarsi. Il loro numero aumenta rapidamente e raggiunge un picco dopo circa due picosecondi e mezzo. Dopodiché, inizia la ricombinazione e il numero di ioni diminuisce costantemente. Nel giro di circa dieci picosecondi, questi ioni altamente carichi scompaiono completamente.
“Nessuno aveva mai studiato questo tipo di ionizzazione con tanta precisione prima d’ora”, afferma il professor Tom Cowan, ex direttore dell’Istituto di Fisica delle Radiazioni presso l’HZDR.
Le onde elettroniche guidano il processo
Le simulazioni al computer hanno aiutato i ricercatori a comprendere cosa determina questo comportamento. L’impulso laser iniziale strappa solo pochi elettroni dagli atomi di rame. Questi elettroni trasportano un’elevata energia e si muovono attraverso il materiale come un’onda, strappando altri elettroni dagli atomi vicini.
“Sono così ricchi di energia che si propagano come un’onda, strappando elettroni a un numero sempre maggiore di atomi di rame vicini”, spiega Cowan.
Nel tempo, questi elettroni perdono energia e vengono gradualmente ricatturati dagli ioni. Man mano che la ricombinazione continua, gli atomi ritornano a uno stato neutro.
Implicazioni per la ricerca sulla fusione laser
“Questo esperimento dimostra la potenza dei nostri laser e apre la strada a futuri impianti di fusione laser”, conclude il dottor Ulf Zastrau, responsabile della stazione sperimentale HED-HIBEF presso l’European XFEL, poiché anche la fusione laser si basa su plasmi estremamente caldi riscaldati dai laser e dalle conseguenti onde elettroniche.
“Grazie ai nostri nuovi risultati concreti, ora possiamo concentrarci sul perfezionamento delle simulazioni di questi processi”, spiega Zastrau. Simulazioni accurate sono essenziali per la progettazione di reattori a fusione laser efficienti e affidabili in futuro.
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