Physiker entwickeln ultraschnelle Lasermethode zur Untersuchung hochdichter Plasmen

In wenigen Pikosekunden (Billionstel einer Sekunde) verwandelt sich ein kleines, dünnes Stück Kupfer kurzzeitig in dichtes Plasma, genauer gesagt in einen Zustand, der als warme dichte Materie bezeichnet wird, wobei warm ein relativer Begriff ist – das Metall hat fast 200.000 Grad Fahrenheit. Durch die kurze Dauer eines Hochleistungslaserpulses wechselt Kupfer in einem Augenblick von einem festen in einen Plasmazustand, bevor es explodiert. Das Verständnis der Wärmeentwicklung im Kupfer ist ein aufregender Durchbruch in der Physik, der für das Innere von Riesenplaneten und Laserfusionsbrennstoffkernen relevant ist.

Hiroshi Sawada, außerordentlicher Professor im Fachbereich Physik der University of Nevada in Reno, hat zusammen mit Kollegen an mehreren internationalen Institutionen eine Methode entwickelt, um zu verfolgen, wie sich Material nach der Abgabe eines Laserpulses erhitzt und abkühlt.

In einer Forschungsarbeit veröffentlicht diese Woche in Naturkommunikationskizzieren die Forscher ihre Methode.

Mithilfe ultrakurzer Röntgenpulse des Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers (XFEL) an der SPring-8-Angström-Kompakt-Freie-Elektronen-Laseranlage (SACLA) in Japan können Physiker die Temperaturänderung im Material im Zeitverlauf „sehen“. Dies ermöglicht ihnen ein besseres Verständnis davon, wie sich Plasma bildet, wenn Metall von Hochleistungslasern bestrahlt wird.

Aufgrund der extrem schnellen Erwärmung war es bisher schwierig oder unmöglich, Daten darüber zu erfassen, wie sich der Plasmazustand durch das Kupfer oder ein anderes Material ausbreitet. In einem sogenannten Pump-Probe-Experiment verwendeten die Physiker zunächst einen Laserpuls relativistischer Intensität von einem Hochleistungslaser, um ein kleines Stück Kupfer zu erhitzen (Pump), dann sammelte ein Röntgenpuls eines sekundären Lasers die Röntgenbilder des Kupfers (Probe).

Anschließend wurden die Temperaturen und Ionisierungsgrade bzw. das Vorhandensein von Plasma im Kupfer aus den Bilddaten abgeleitet. Die Forscher wiederholten dieses Experiment viele Male und verzögerten den sekundären Laserpuls bei jedem Schuss etwas länger, um den Verlauf der Hitze durch das Material zu verfolgen.

Der XFEL und die Hochleistungslaser, die bei diesen Experimenten verwendet werden, befinden sich an einer von nur drei Einrichtungen weltweit, die solche Pump-Probe-Experimente durchführen können. Die anderen sind die Linac Coherent Light Source (LCLS) am SLAC National Accelerator Laboratory in den USA und der European XFEL in Deutschland. Die Forscher führten diese Experimente zunächst vor der COVID-19-Pandemie mit dem von RIKEN und dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) gebauten SACLA durch. XFELs sind unverzichtbare Werkzeuge in vielen Bereichen, darunter Chemieingenieurwesen und Biochemie.

Die Ergebnisse des Laserbrands lieferten die genauesten Daten darüber, wie sich das Material bei der Wärmeübertragung im Mikrometermaßstab veränderte. Ein menschliches Haar ist etwa 70 Mikrometer dick.

„Wir hatten einige Vorhersagen aus Simulationen, aber das war völlig anders als das, was wir sahen“, sagte Sawada. „Wir waren überwältigt von der Anzahl der überraschenden Ergebnisse unseres ersten Experiments und wussten nicht, welches wir hervorheben sollten.“

Die Forscher erwarteten, dass sich das Kupfer nach dem Auftreffen des Laserpulses in klassisches Plasma verwandeln würde. Anhand des Röntgenpulses stellten sie jedoch fest, dass es sich bei dem Plasma vielmehr um einen warmen Zustand dichter Materie handelte.

Proben mit robusten Ergebnissen sind für Laserexperimente wichtig, denn die Strahlzeit am Röntgenlaser ist äußerst wettbewerbsfähig. Es kann Jahre dauern, bis eine Forschungsgruppe Zugang zu einem bestimmten Laser erhält. In dieser Studie wurden die Kupferproben mit einem Laser in Streifen geschnitten und manuell auf einem Probenhalter montiert. Jeder Laserschuss zerstörte den Kupferstreifen und das Team konnte Daten von 200 bis 300 Zielschüssen sammeln.

Die verbesserte Technologie mit XFEL-Pulsen erreicht eine feinere zeitliche und räumliche Auflösung als herkömmliche Methoden. Obwohl ein Zehntel einer Billionstelsekunde unmerklich klein erscheint, kann auf atomarer Ebene viel passieren, einschließlich Wärmefronten, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Die Diagnose warmer dichter Materie bleibt eine Herausforderung und erfordert genauere Technologie und Gegenprüfmethoden, sagte Sawada.

Zu Sawadas Co-Autoren gehören Physiker von JASRI, RIKEN, dem Institute of Laser Engineering der Universität Osaka, dem SLAC National Accelerator Laboratory der Stanford University, der University of Alberta, dem Lawrence Livermore National Laboratory und dem Laboratory for Laser Energetics der University of Rochester.

Sawada kann sich vorstellen, dass diese Methode in mehreren Bereichen der Physik zum Einsatz kommt, darunter Plasmaphysik, Hochenergiedichteforschung, Astrophysik, Forschung zur Trägheitsfusion sowie Quanten- und Atomphysik. Sie kann auch in anderen Freie-Elektronen-Laseranlagen eingesetzt werden, wie etwa in der MEC-U-Anlage der nächsten Generation am SLAC, die Hochleistungs-Petawatt- und Hochenergie-Kilojoule-Laser mit LCLS kombiniert.

Darüber hinaus geben diese Erkenntnisse Aufschluss darüber, wie schnell und effektiv die Wärmeübertragung von Lasern auf hochdichtes Material erfolgt. Dieses Thema muss mit Lasern extrem hoher Intensität wie der NSF ZEUS Laser Facility an der University of Michigan und einem zukünftigen NSF OPAL-Laser an der University of Rochester weiter erforscht werden.

Außerdem kann damit untersucht werden, wie sich mikrometergroße Deformationen im Material, auf das gebrannt wird, auf die Wärmeübertragung durch das Material auswirken. Außerdem kann mit Lasern anderer Anlagen mit unterschiedlicher Energieabgabe die Wärmeentwicklung in verschiedenen Materialien getestet werden.