Leistungsstarke Laser enthüllen, wie Materie in Billionstel Sekunden zu Plasma wird

Forscher des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) berichten in Nature Communications, dass sie diesen Ionisierungsprozess nun in beispielloser Detailtiefe beobachtet haben. Um dies zu erreichen, kombinierte das Team zwei fortschrittliche Lasersysteme an der HED-HiBEF-Experimentstation am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg.

Eines davon ist ein Röntgen-Freie-Elektronen-Laser und das andere ist der hochenergetische optische Laser ReLaX. Dieses Setup ermöglichte es ihnen, zu untersuchen, wie hochenergetische Laser unter extremen Bedingungen mit Materie interagieren.

Es führt auch einen neuen Ansatz ein, der diagnostische Methoden in der Laserfusionsforschung verbessern könnte. Die Ionisierung entfaltet sich extrem schnell, innerhalb, was Billionstel einer Sekunde entspricht.

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Um derart schnelle Veränderungen einzufangen, sind noch kürzere Laserpulse erforderlich. „Dies sind genau die Bedingungen, die werden, die Pulsdauern 25 und 30 Femtosekunden haben – das sind Billionstel einer Sekunde“, erklärt Dr.

Lingen Huang, Leiter des Experimentierbereichs der Abteilung für Hochdichteenergie bei HZDR. Extreme Laserbedingungen und Plasmaerzeugung Das Experiment beginnt mit einem intensiven Lichtstrahl, der einen dünnen Kupferdraht trifft, der etwa ein Siebtel der Dicke eines menschlichen Haares hat.

Der Laser liefert ungefähr 250 Billionen Megawatt pro Quadratzentimeter (etwa 1,6 × 10¹⁶ Watt pro Quadratzoll), fokussiert auf einen winzigen Bereich für einen sehr kurzen Moment. Solche extremen Energieniveaus finden sich typischerweise nur in seltenen kosmischen Umgebungen, wie in der Nähe während Gammastrahlenausbrüchen.

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Diese Energie verdampft den Draht augenblicklich und erzeugt Plasma bei Temperaturen. Während dies geschieht, verlieren Kupferatome viele ihrer Elektronen und werden stark ionisiert.

Ein zweiter Laserpuls folgt kurz nach dem ersten. Der anfängliche Puls erzeugt das Plasma, während der zweite, als Sondenpuls bezeichnete, aus hochintensiven Röntgenstrahlen stammt, die vom European XFEL erzeugt werden.

Ein Detektor zeichnet auf, wie der Sondenpuls mit dem Plasma interagiert und erfasst so effektiv eine Reihe können Forscher beobachten, wie sich das Plasma entwickelt.

Was die Studie zeigt

Der erste Puls initiiert den Prozess und der zweite untersucht ihn nach einer kontrollierten Verzögerung, was es Wissenschaftlern ermöglicht, Veränderungen Schritt für Schritt zu verfolgen.

Resonante Absorption und Röntgenemissionsverfolgung Die Röntgenpulse werden sorgfältig abgestimmt, sodass ihre Energie hauptsächlich von $\text{Cu}^{22+}$ Ionen absorbiert wird, welche Kupferatome sind, denen 22 Elektronen fehlen.

Die Photonenenergie von 8,2 Kiloelektronenvolt entspricht einem spezifischen elektronischen Übergang in diesen Ionen, ein Phänomen, das als resonante Absorption bekannt ist. Nach der Absorption der Energie emittieren die Ionen ihre eigene charakteristische Röntgenstrahlung.

In unserem Pump-Probe-Experiment messen wir die

„In unserem Pump-Probe-Experiment messen wir die zeitliche Entwicklung dieser angeregten Röntgenemission exakt“, sagt Huang. „Weil es uns zeigt, wie viele Cu$^{2+}$ Ionen zu einem beliebigen Zeitpunkt im Plasma vorhanden sind.“ Die Messungen enthüllen eine klare zeitliche Abfolge.

Cu$^{2+}$ Ionen erscheinen fast unmittelbar nachdem der Laser den Draht trifft. Ihre Anzahl steigt schnell an und erreicht nach etwa 2,5 Pikosekunden einen Höhepunkt.

Dann beginnt die Rekombination, und die Anzahl der Ionen nimmt stetig ab. Nach ungefähr 10 Pikosekunden sind diese Ionen nicht mehr nachweisbar.

Niemand hat diese Art äzise untersucht“,

„Niemand hat diese Art äzise untersucht“, sagt Prof. Tom Cowan, ehemaliger Direktor des Instituts für Strahlungsphysik an der HZDR.

Elektronendynamik und Fusionsimplikationen Computer-Simulationen halfen, die zugrunde liegende Physik zu erklären. Der anfängliche Laserpuls entfernt eine kleine Anzahl.

„Sie sind so energiereich, dass sie wie eine Welle ausbreiten und immer mehr Elektronen aus benachbarten Kupferatomen herausstoßen“, erklärt Cowan. Mit der Zeit verlieren diese energiereichen Elektronen Energie und werden, wodurch die Atome in einen neutralen Zustand zurückkehren.

Technik, Energie und Einsatz

„Dieses Experiment demonstriert, wie leistungsstark unsere Laser sind und ebnet den Weg für zukünftige Laserfusionsanlagen“, schließt Dr.

Ulf Zastrau, der für die HED-HIBEF-Experimentstation am European XFEL verantwortlich ist, da die Laserfusion ebenfalls auf extrem heißen Plasmen basiert, die durch Laser und die resultierenden Elektronenwellen erhitzt werden.

„Dank unserer neuen konkreten Ergebnisse können wir uns nun darauf konzentrieren, unsere Simulationen dieser Prozesse weiter zu verfeinern“, erklärt Zastrau. Diese Verbesserungen sind entscheidend für das Design effizienter Laserfusionsreaktoren.

Technik und Auswirkungen

"Erforschung der ultraschnellen Heiz- und Ionisationsdynamik in Plasmen mit Festkörperdichte mittels zeitaufgelöster resonanter Röntgenabsorptions- und Emission", Mikhail Mishchenko, Michal Šmí̌e, Oliver S. Humphries, Thomas R.

Preston, Xiayun Pan, Long Yang, Johannes Hagemann, Thea Engler, Yangzhe Cui, Thomas Kluge, Carsten Baehtz, Erik Brambrink, Alejandro Laso Garcia, Sebastian Göde, Christian Gutt, Mohamed Hassan, Hauke Höppner, Michaela Kozlova, Josefine Metzkes-Ng, Masruri Masruri, Motoaki Nakatsutsumi, Masato Ota, Özgüç Türkü, Alexander Pelka, Irene Prencipe, Lisa Randolph, Martin Rehwald, Hans-Peter Schlenvoigt, Ulrich Schramm, Jan-Patrick Schwinkendorf, Monika Toncian, Toma Toncian, Jan Vorberger, Karl Zeil, Ulf Zastrau und Thomas E.

Cowan, 3 April 2026, Nature Communications. DOI: 10.