Femtosekundžių revoliucija: atskleista, kas vyksta, kai atomai praranda elektronus
Tarptautinė mokslininkų komanda pirmą kartą itin tiksliai užfiksavo, kaip medžiaga per femtosekundes pereina į ekstremalios jonizacijos būseną. Tokie procesai, vykstantys šalia neutroninių žvaigždžių ar per gama spindulių žybsnius, iki šiol laboratorijose buvo sunkiai „pagauti“ dėl milžiniškų temperatūrų ir ypač trumpų laiko mastelių.
Tyrimą atlikę Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) mokslininkai pasitelkė European XFEL infrastruktūrą ir HED-HiBEF eksperimentinę stotį netoli Hamburgo. Jie į itin ploną varinį vielos siūlą nukreipė galingą lazerio impulsą, akimirksniu paversdami metalą milijonų laipsnių plazma.
Kaip „nufilmuoti“ femtosekundes?
Eksperimento esmė buvo vadinamoji pompos ir zondo metodika, kai vienas impulsas sužadina procesą, o kitas jį „nufotografuoja“. Pirmasis, labai intensyvus optinis lazerio impulsas suformavo plazmą, o po tiksliai parinkto laiko tarpo ją „apšvietė“ ypač ryškus rentgeno lazerio blyksnis.
Tokie kadrai buvo kartojami daug kartų, keičiant vėlinimą tarp impulsų, todėl pavyko sudėti į nuoseklią laiko seką, primenančią sulėtintą filmą. Kadangi pokyčiai vyksta femtosekundėmis ir pikosekundėmis, įprasti matavimo metodai čia būtų per lėti.
Ekstremali jonizacija: 22 elektronai dingo
Galingas energijos smūgis iš vario atomų „išplėšė“ elektronus ir sukūrė itin aukšto krūvio jonus. Tyrėjai nustatė būseną, kai vario atomas per trumpą akimirką neteko 22 elektronų, o susidaręs jonų ir elektronų debesis tapo idealiu objektu plazmos dinamikai tirti.
Kad būtų galima tiksliai suskaičiuoti konkrečios jonizacijos būsenos jonus, rentgeno spinduliuotės energija buvo suderinta su tam tikru vario jonų rezonansinės sugerties „parašu“. Tai leido stebėti, kaip pasirinktos būsenos jonų skaičius kinta laike, o ne remtis vien netiesioginėmis užuominomis ar modeliavimo prielaidomis.
Kas vyksta po smūgio?
Duomenys parodė aiškią laiko struktūrą: netrukus po lazerio impulso itin jonizuotų jonų skaičius greitai šauna į viršų ir pikosekundžių skalėje pasiekia maksimumą. Vėliau sistema ima grįžti atgal, kai elektronai praranda energiją ir prasideda rekombinacija, kai jie vėl „prisikabina“ prie jonų.
Tokie procesai svarbūs ne tik astrofizikai, bet ir laboratorinei didelės energijos tankio fizikai, nes čia tikrinamos ribos, kuriose įprasta medžiagos chemija nebegalioja. Kuo tiksliau aprašoma jonizacija ir rekombinacija, tuo patikimesni tampa skaitmeniniai modeliai, naudojami ekstremalioms plazmoms prognozuoti.
Kodėl tai svarbu energijai?
Mokslininkai pabrėžia, kad tokie matavimai padeda tikslinti kompiuterines simuliacijas, kurios naudojamos projektuojant lazerinės sintezės eksperimentus. Lazerinė sintezė siekia trumpam sukurti sąlygas, panašias į žvaigždžių gelmes, kad branduolių sintezė taptų stabiliai valdomu ir švariu energijos šaltiniu.
Tikslus supratimas, kaip plazmoje sklinda elektronų sužadinimai, kaip greitai kinta jonizacijos laipsnis ir kada sistema ima „gesinti“ save rekombinacija, yra vienas iš kertinių žingsnių didinant eksperimentų efektyvumą. Praktikoje tai reiškia mažiau spėliojimo ir daugiau duomenimis paremtų sprendimų, planuojant kitą sintezės technologijų kartą.
