Исследование динамики сверхбыстрого нагрева и ионизации в плазме твердого тела с помощью времяразрешенного резонансного рентгеновского поглощения и излучения
Выбивание электронов лазерными вспышками приводит к образованию чрезвычайно горячей плазмы, состоящей из заряженных частиц. Исследователи из HZDR объединили два самых современных лазера: рентгеновский на свободных электронах и высокоинтенсивный оптический ReLaX на экспериментальной станции HED-HiBEF Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах в Шенефельде, недалеко от Гамбурга. Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, дают фундаментальное представление о взаимодействии высокоэнергетических лазеров и вещества в экстремальных условиях.
Фото. Энергия фотонов XFEL была тщательно настроена таким образом, чтобы соответствовать определенному электронному переходу в сильно заряженных ионах меди, создаваемому мощным лазером (красный). В этих условиях рентгеновское излучение (голубоватый цвет) возбуждает электроны внутри ионов. Изображение предоставлено: B. Schröder/HZDR
Ионизация происходит за пикосекунды. Для детального мониторинга этого процесса лазерные импульсы должны быть значительно короче. Именно такие условия обеспечивают два лазера с длительностью импульсов всего 25 и 30 фемтосекунд.
Первоначально чрезвычайно интенсивная вспышка света падает на тонкую медную проволоку толщиной около одной седьмой толщины человеческого волоса. Интенсивность импульса составляет приблизительно 250 триллионов мегаватт на квадратный сантиметр — он концентрируется на крошечной поверхности в течение чрезвычайно короткого времени. Подобные значения достигаются лишь в исключительных условиях, например, в экстремальных астрофизических средах, таких как непосредственная окрестность нейтронных звезд или во время гамма-всплесков.
Проволока мгновенно испаряется, образуя плазму при температуре в несколько миллионов градусов. В процессе атомы меди теряют множество своих электронов — они многократно ионизируются. За так называемым импульсом накачки , который создает плазму, через короткие, переменные интервалы следует вторая вспышка света, зондирующий импульс. Это чрезвычайно яркая вспышка в спектре жесткого рентгеновского излучения, генерируемая европейским рентгеновским лазером на свободных электронах (European XFEL). Ее взаимодействие с плазмой регистрируется детектором.
Энергия рентгеновских импульсов точно настроена таким образом, что она поглощается преимущественно ионами Cu²²⁺, то есть атомами меди, у которых не хватает 22 электронов. Энергия фотона в 8,2 килоэлектронвольта точно соответствует определенному электронному переходу в этих ионах. Физики называют это резонансным поглощением.
После поглощения ионы меди испускают собственное характерное рентгеновское излучение.
Результаты показывают, что процесс имеет отчетливую временную структуру: сразу после попадания лазерного луча на медную проволоку образуются первые ионы Cu²²⁺. Их количество быстро увеличивается и достигает максимума примерно через две с половиной пикосекунды. Затем, из-за процессов рекомбинации, количество ионов снова уменьшается. Примерно через десять пикосекунд ионы Cu²²⁺ больше не обнаруживаются.
Первый интенсивный лазерный импульс действует как триггер и отнимает у атомов меди всего несколько электронов. Они настолько богаты энергией, что распространяются подобно волне и выбивают все больше электронов из соседних атомов меди. Но постепенно электроны как бы исчерпываются и снова захватываются ионами меди. В конце этого процесса рекомбинации атомы меди снова нейтрализуются.
