Fundamentem przełomu opisanego na łamach prestiżowego czasopisma Nature Communications jest zdolność do symulowania warunków astrofizycznych na Ziemi. Eksperyment, przeprowadzony w stacji badawczej HED-HiBEF pod Hamburgiem, polegał na uderzeniu niezwykle intensywnym impulsem światła w miedziany drut o grubości zaledwie jednej siódmej ludzkiego włosa. Intensywność tego uderzenia była oszałamiająca – wyniosła około 250 bilionów megawatów na centymetr kwadratowy. W ułamku sekundy metal ten wyparował, zamieniając się w plazmę o temperaturze milionów stopni.
Tak potężne uderzenie energii doprowadziło do gwałtownej jonizacji atomów miedzi. Zjawisko to polega na wybijaniu elektronów z ich orbit wokół jąder atomowych. W wyniku tego procesu atomy miedzi zostały dosłownie odarte ze swoich powłok elektronowych, tracąc aż 22 elektrony w jednej chwili. Powstała w ten sposób chmura naładowanych cząstek – jonów i elektronów – stała się poligonem badawczym dla fizyków, którzy chcieli zrozumieć dynamikę materii w stanach o ekstremalnej gęstości energii.
Metoda „pompa-sonda”: Jak sfilmować niewidzialne?
Jonizacja zachodzi w skali czasowej tak krótkiej, że standardowe metody pomiarowe okazują się bezużyteczne. Procesy te trwają pikosekundy, czyli bilionowe części sekundy. Aby móc je monitorować, badacze musieli wykorzystać impulsy laserowe trwające zaledwie 25 i 30 femtosekund (femtosekunda to tysięczna część pikosekundy). Wykorzystano tu unikalną kombinację dwóch urządzeń: optycznego lasera wysokiej intensywności ReLaX oraz rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach European XFEL.
Czytaj także: W laboratorium powstała lodowa plazma. Będzie kluczem do rozwikłania odwiecznej zagadki
Badacze zastosowali zaawansowaną technikę pompa-sonda (pump-probe). Pierwszy impuls (pompa) inicjuje proces, tworząc plazmę i wybijając elektrony. Drugi impuls (sonda), będący niezwykle jasnym błyskiem twardego promieniowania rentgenowskiego, następuje po ściśle określonym, zmiennym odstępie czasu. Działa on niczym migawka aparatu fotograficznego, rejestrując stan jonizacji plazmy w konkretnym momencie. Poprzez wielokrotne powtarzanie tego procesu z różnymi opóźnieniami, naukowcy stworzyli swoisty film poklatkowy, ukazujący krok po kroku ewolucję plazmy.
Taniec elektronów: Od jonizacji do rekombinacji
Kluczem do sukcesu było precyzyjne nastrojenie energii impulsów rentgenowskich. Ustawiono ją na poziomie 8,2 kiloelektronowolta (keV), co odpowiada specyficznemu przejściu elektronowemu w jonach miedzi, które utraciły dokładnie 22 elektrony (Cu²²⁺). Fizycy nazywają to zjawisko absorpcją rezonansową. Dzięki temu mogli oni dokładnie policzyć, ile takich jonów znajduje się w próbce w danej femtosekundzie.
Analiza wyników wykazała fascynującą strukturę czasową procesu. Tuż po uderzeniu lasera liczba jonów Cu²²⁺ gwałtownie rośnie, osiągając maksimum po około 2,5 pikosekundy. Jednak stan ten nie trwa długo. Jak wyjaśnia prof. Tom Cowan, były dyrektor Instytutu Fizyki Promieniowania w HZDR, pierwszy impuls laserowy działa jak zapalnik, nadając elektronom tak dużą energię, że rozchodzą się one niczym fala, wybijając kolejne elektrony z sąsiednich atomów. Z czasem jednak elektrony „tracą parę” i są ponownie wychwytywane przez jony w procesie zwanym rekombinacją. Po upływie zaledwie 10 pikosekund jony Cu²²⁺ przestają być wykrywalne, a materia dąży do ponownej neutralizacji.
Przyszłość czystej energii i fuzji laserowej
Choć eksperyment ma charakter fundamentalnych badań fizycznych, jego implikacje są niezwykle praktyczne i mogą zrewolucjonizować energetykę. Zrozumienie dynamiki fal elektronowych w gorącej plazmie jest kluczowe dla rozwoju fuzji laserowej. Jest to technologia, która obiecuje niemal niewyczerpane źródło czystej energii, naśladując procesy zachodzące we wnętrzu Słońca.
Czytaj także: Koreański eksperyment z plazmą zaskoczył. Czy to przełom dla fuzji jądrowej?
Dr Ulf Zastrau, odpowiedzialny za stację badawczą HED-HIBEF, podkreśla, że wyniki te pozwalają na znaczące doprecyzowanie symulacji komputerowych, które są niezbędne do projektowania przyszłych reaktorów termojądrowych. Dzięki możliwości tak precyzyjnego podglądania „odzierania” atomów z elektronów, naukowcy są o krok bliżej do okiełznania potęgi gwiazd na Ziemi. Precyzyjne sterowanie gęstością i temperaturą plazmy to fundament, na którym opierać się będą technologie energetyczne przyszłego stulecia.
