這種雷射在十億分之一秒內將金屬變成星狀等離子體

為了實現這一目標，團隊結合了兩種先進的雷射系統：X 射線自由電子雷射和高強度 ReLaX 光學雷射。兩者均在歐洲漢堡附近謝內菲爾德的 HED-HiBEF XFEL 實驗站使用。他們的工作為高能量雷射在極端條件下如何與物質相互作用提供了新的見解。它還提出了一種有前途的方法來改進雷射聚變研究中的診斷。

兆分之一秒的電離監測

電離發生得非常快，在皮秒或十億分之一秒內。捕捉如此快速的變化需要更短的雷射脈衝。

HZDR 高能量密度部門實驗負責人 Lingen Huang 博士解釋說：“這些正是脈衝持續時間為 25 和 30 飛秒（即十億分之一秒）的兩個激光器提供的條件。”

透過這些超短脈衝，研究人員幾乎可以即時觀察等離子體如何形成和演化。

將銅線變成超熱等離子體

實驗開始時，強烈的光線照射到一根非常細的銅線上，銅線的粗細約為人類頭髮的七分之一。所提供的能量是巨大的，在很短的時間內在一平方厘米的小面積上提供了大約250萬億兆瓦的能量。這種情況通常只出現在極端的宇宙環境中，例如中子星或伽馬射線爆發附近。

銅線立即蒸發，產生溫度高達數百萬度的等離子體。當這種情況發生時，銅原子失去多個電子並變得高度電離。

然後研究人員使用第二個雷射脈衝（稱為探測脈衝）來探測等離子體。這種脈衝由歐洲 XFEL 產生，會發出強烈的硬 X 射線閃光。透過記錄這些 X 射線如何與等離子體相互作用，科學家可以捕捉一系列照片，類似於電影中的畫面。這種泵浦探針方法使我們能夠逐步追蹤等離子體的演化。

高電荷銅離子的測量

X 射線脈衝經過精心調整，可與 Cu²²⁺ 離子（失去 22 個電子的銅原子）相互作用。 8.2 千電子伏特的光子能量對應於這些離子中的特定電子躍遷，這個過程稱為共振吸收。

吸收 X 射線後，離子發射特性 X 射線輻射。

「在我們的泵浦探針實驗中，我們精確測量了受激 X 射線發射的時間發展，」黃說。 「因為它向我們展示了有多少銅²²⁺ 離子隨時存在於等離子體中。 」

等離子體演化的詳細時間表

測量顯示了清晰的事件順序。雷射擊中金屬絲後，Cu²²⁺ 離子開始形成。它們的數量迅速增加，並在兩皮秒半後達到峰值。此後，重組開始，離子數量不斷減少。大約十皮秒後，這些高電荷離子完全消失。

「沒有人如此詳細地研究過這種類型的電離，」HZDR 輻射物理研究所前所長 Tom Cowan 教授說。

電子波驅動該過程

電腦模擬幫助研究人員了解是什麼驅動了這種行為。初始雷射脈衝僅從銅原子中去除少量電子。這些電子攜帶大量能量，並像波一樣穿過材料，從鄰近的原子中釋放出額外的電子。

考恩解釋說：“它們的能量如此豐富，以至於它們像波一樣傳播，並從鄰近的銅原子中噴射出越來越多的電子。”

隨著時間的推移，這些電子會失去能量，而離子會逐漸恢復能量。隨著重組的繼續，原子回到中性狀態。

對雷射聚變研究的影響

歐洲 XFEL HED-HIBEF 實驗站負責人 Ulf Zastrau 博士總結道：「這項實驗展示了我們的雷射有多麼強大，並為未來的雷射聚變設施鋪平了道路。」因為雷射聚變是基於由雷射加熱的非常熱的等離子體以及由此產生的電子波。

「由於我們新的具體發現，我們現在可以專注於繼續完善這些過程的模擬，」扎斯特勞解釋道。準確的模擬對於未來設計高效可靠的雷射聚變反應器至關重要。