Επιστήμονες από το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) κατέγραψαν για πρώτη φορά με πρωτοφανή λεπτομέρεια τη διαδικασία ιονισμού της ύλης σε κατάσταση πλάσματος, χρησιμοποιώντας υπερταχέα λέιζερ.
Η έρευνα αυτή, που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, προσφέρει κρίσιμες γνώσεις για την αλληλεπίδραση λέιζερ και ύλης σε ακραίες συνθήκες, ανοίγοντας τον δρόμο για τη μελλοντική παραγωγή ενέργειας μέσω πυρηνικής σύντηξης.
Η πειραματική διαδικασία
Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στον πειραματικό σταθμό HED-HiBEF του European XFEL στο Αμβούργο, συνδυάζοντας δύο προηγμένα συστήματα λέιζερ με διάρκεια παλμών μόλις 25 και 30 femtoseconds (τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου).
- Δημιουργία πλάσματος: Ένας εξαιρετικά έντονος παλμός φωτός χτυπά ένα λεπτό χάλκινο σύρμα, με πάχος όσο το 1/7 μιας ανθρώπινης τρίχας.
- Ακραίες συνθήκες: Η ένταση της ενέργειας φτάνει τα 250 τρισεκατομμύρια megawatt ανά τετραγωνικό εκατοστό, συνθήκες που συναντώνται μόνο σε ακραία κοσμικά περιβάλλοντα, όπως κοντά σε αστέρες νετρονίων.
- Εξάτμιση και ιονισμός: Το σύρμα εξατμίζεται ακαριαία, δημιουργώντας πλάσμα σε θερμοκρασία εκατομμυρίων βαθμών, όπου τα άτομα χαλκού χάνουν πολλά ηλεκτρόνια.
Παρακολούθηση των ιόντων σε τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη μέθοδο pump-probe, όπου ένας πρώτος παλμός (pump) ξεκινά τη διαδικασία και ένας δεύτερος παλμός ακτίνων Χ (probe) τη «φωτογραφίζει» σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα.
- Στόχευση ιόντων Cu²²⁺: Ο παλμός ακτίνων Χ συντονίστηκε στα 8,2 kiloelectronvolts για να αλληλεπιδράσει ειδικά με ιόντα χαλκού που έχουν χάσει 22 ηλεκτρόνια (Cu²²⁺).
- Χρονοδιάγραμμα: Τα ιόντα Cu²²⁺ αρχίζουν να σχηματίζονται αμέσως μετά την πρόσκρουση, φτάνοντας στον μέγιστο αριθμό τους μετά από 2,5 picoseconds.
- Επανασύνδεση: Λόγω διαδικασιών επανασύνδεσης, τα ιόντα μειώνονται σταδιακά και εξαφανίζονται εντελώς μέσα σε περίπου 10 picoseconds, καθώς τα άτομα επιστρέφουν σε ουδέτερη κατάσταση.
Ο μηχανισμός των κυμάτων ηλεκτρονίων
Μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστή, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι ο αρχικός παλμός λέιζερ απελευθερώνει μερικά ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Αυτά εξαπλώνονται σαν κύμα μέσα στο υλικό, παρασύροντας και απελευθερώνοντας όλο και περισσότερα ηλεκτρόνια από τα γειτονικά άτομα χαλκού.
Σημασία για την πυρηνική σύντηξη
Η κατανόηση αυτών των ταχύτατων διαδικασιών είναι απαραίτητη για τον σχεδιασμό αποδοτικών αντιδραστήρων λέιζερ σύντηξης. Τα νέα ευρήματα επιτρέπουν στους επιστήμονες να βελτιώσουν τις προσομοιώσεις τους, φέρνοντας πιο κοντά την υλοποίηση εγκαταστάσεων σύντηξης που βασίζονται στη θέρμανση πλάσματος μέσω λέιζερ.
