Erstmalige experimentelle Beweise widerlegen herkömmliche Theorien darüber, wie Plasmen Strahlung emittieren oder absorbieren

Die meisten Menschen kennen die drei Aggregatzustände Festkörper, Flüssigkeiten und Gase. Ein vierter Materiezustand, Plasma genannt, ist jedoch die häufigste Form von Materie im Universum, die in unserem gesamten Sonnensystem in der Sonne und anderen Planetenkörpern zu finden ist.

Da sich dichtes Plasma – eine heiße Suppe aus Atomen mit frei beweglichen Elektronen und Ionen – normalerweise nur unter extremem Druck und extremen Temperaturen bildet, arbeiten Wissenschaftler immer noch daran, die Grundlagen dieses Materiezustands zu verstehen. Das Verständnis, wie Atome unter extremen Druckbedingungen reagieren – ein Gebiet, das als High-Energy-Density-Physik (HEDP) bekannt ist – gibt Wissenschaftlern wertvolle Einblicke in die Bereiche Planetenwissenschaft, Astrophysik und Fusionsenergie.

Eine wichtige Frage im Bereich HEDP ist, wie Plasmen Strahlung emittieren oder absorbieren. Aktuelle Modelle, die den Strahlungstransport in dichten Plasmen darstellen, basieren stark auf Theorien und nicht auf experimentellen Beweisen.

In einem neuen Artikel, erschienen in Naturkommunikationverwendeten Forscher des Labors für Laserenergie (LLE) der Universität Rochester den OMEGA-Laser des LLE, um zu untersuchen, wie sich Strahlung durch dichtes Plasma bewegt.

Die Forschung wurde von Suxing Hu, einem angesehenen Wissenschaftler und Gruppenleiter der High-Energy-Density Physics Theory Group am LLE und außerordentlicher Professor für Maschinenbau, und Philip Nilson, einem leitenden Wissenschaftler in der Laser-Plasma-Wechselwirkungsgruppe des LLE, geleitet , liefert erstmals experimentelle Daten über das Verhalten von Atomen unter extremen Bedingungen.

Die Daten werden zur Verbesserung von Plasmamodellen verwendet, die es Wissenschaftlern ermöglichen, die Entwicklung von Sternen besser zu verstehen, und möglicherweise bei der Realisierung einer kontrollierten Kernfusion als alternative Energiequelle helfen.

„Experimente mit lasergetriebenen Implosionen auf OMEGA haben extreme Materie mit Drücken erzeugt, die mehrere Milliarden Mal höher sind als der atmosphärische Druck an der Erdoberfläche, damit wir untersuchen können, wie sich Atome und Moleküle unter solch extremen Bedingungen verhalten“, sagt Hu. „Diese Bedingungen entsprechen den Bedingungen innerhalb der sogenannten Hülle von Weißen Zwergsternen sowie Trägheitsfusionszielen.“

Mittels Röntgenspektroskopie

Mit Röntgenspektroskopie haben die Forscher gemessen, wie Strahlung durch Plasmen transportiert wird. Bei der Röntgenspektroskopie wird ein Strahl in Form von Röntgenstrahlen unter extremem Druck und Hitze auf ein Plasma aus Atomen – in diesem Fall Kupferatomen – gerichtet. Die Forscher verwendeten den OMEGA-Laser sowohl zur Erzeugung des Plasmas als auch zur Erzeugung der auf das Plasma gerichteten Röntgenstrahlen.

Wenn das Plasma mit Röntgenstrahlen beschossen wird, „springen“ die Elektronen in den Atomen von einem Energieniveau zum anderen, indem sie entweder Lichtphotonen emittieren oder absorbieren. Ein Detektor misst diese Veränderungen und zeigt die physikalischen Prozesse, die im Plasma ablaufen, ähnlich wie bei der Röntgendiagnostik eines gebrochenen Knochens.

Ein Bruch mit der konventionellen Theorie

Die experimentellen Messungen der Forscher weisen darauf hin, dass, wenn Strahlung durch ein dichtes Plasma wandert, die Änderungen der atomaren Energieniveaus nicht den konventionellen Theorien folgen, die derzeit in Plasmaphysikmodellen verwendet werden – sogenannten „Kontinuumssenkungs“-Modellen.

Die Forscher fanden stattdessen heraus, dass die Messungen, die sie in ihren Experimenten beobachteten, nur mit einem selbstkonsistenten Ansatz auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT) erklärt werden können. DFT bietet eine quantenmechanische Beschreibung der Bindungen zwischen Atomen und Molekülen in komplexen Systemen. Die DFT-Methode wurde erstmals in den 1960er Jahren beschrieben und war 1998 Gegenstand des Nobelpreises für Chemie.

„Diese Arbeit zeigt grundlegende Schritte zum Umschreiben aktueller Lehrbuchbeschreibungen darüber, wie Strahlungserzeugung und -transport in dichten Plasmen ablaufen“, sagt Hu. „Unseren Experimenten zufolge beschreibt die Verwendung eines selbstkonsistenten DFT-Ansatzes den Strahlungstransport in einem dichten Plasma genauer.“

Nilson sagt: „Unser Ansatz könnte einen zuverlässigen Weg zur Simulation der Strahlungserzeugung und des Strahlungstransports in dichten Plasmen bieten, die in Sternen und Trägheitsfusionszielen anzutreffen sind. Das hier beschriebene experimentelle Schema, das auf einer lasergetriebenen Implosion basiert, kann leicht auf einen weiten Bereich erweitert werden von Materialien, die den Weg für weitreichende Untersuchungen der extremen Atomphysik bei enormen Drücken ebnen.“