該方法可用于等離子體物理、高能密度科學(xué)、天體物理學(xué)和慣性聚變能研究。(代表性圖像)

研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新方法來監(jiān)測溫暖、密集物質(zhì)等離子體中的超快速熱進程。

內(nèi)華達大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的這項研究追蹤了材料在受到激光脈沖照射后如何升溫、降溫。

利用日本 SPring-8 埃緊湊型自由電子激光器 (SACLA) 設(shè)施的 X 射線自由電子激光器 (XFEL) 發(fā)出的超短 X 射線脈沖，物理學(xué)家可以“看到”材料隨時間的溫度變化。

這一突破使我們更深入地了解金屬暴露于高功率激光時等離子體是如何形成的。

第一次實驗的驚人結(jié)果

該方法是由內(nèi)華達大學(xué)里諾分校物理系副教授 Hiroshi Sawada 和來自多家國際機構(gòu)的同事共同開發(fā)的。Sawada 表示：“我們從模擬

中得到了一些預(yù)測，但結(jié)果與我們看到的完全不同。第一次實驗中出現(xiàn)如此多令人驚訝的結(jié)果，我們感到不知所措，不知道應(yīng)該重點介紹哪一個。”

薄薄的銅片瞬間變成致密的等離子體

研究人員指出，在幾皮秒(萬億分之一秒)的時間內(nèi)，一小片薄薄的銅瞬間變成致密的等離子體，具體來說是稱為溫致密物質(zhì)的狀態(tài)。

這里的“溫暖”是一個相對術(shù)語——金屬的溫度接近 20 萬華氏度。

在高功率激光脈沖的短暫持續(xù)時間內(nèi)，銅在爆炸前瞬間從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子態(tài)。研究表明，了解銅中的熱量變化是物理學(xué)中一項令人興奮的突破，與巨行星內(nèi)部和激光聚變?nèi)剂闲居嘘P(guān)。

以前很難捕捉等離子體狀態(tài)如何發(fā)展的數(shù)據(jù)

由于極快的加熱現(xiàn)象，獲取等離子體狀態(tài)如何通過銅或其他材料發(fā)展的數(shù)據(jù)以前是具有挑戰(zhàn)性或不可能的。

在所謂的泵浦探測實驗中，物理學(xué)家首先使用高功率激光器發(fā)出的相對論強度激光脈沖加熱一小塊銅(泵浦)，然后使用來自次級激光器的 X 射線脈沖收集銅的 X 射線圖像(探測器)。然后，從圖像數(shù)據(jù)中推斷出溫度和電離度，或銅內(nèi)等離子體的存在。內(nèi)華達大學(xué)

的研究人員表示，研究人員多次重復(fù)此實驗，每次發(fā)射時將次級激光脈沖延遲一段時間，以跟蹤熱量通過材料的進展。

X射線透射成像揭示了固體密度熱等離子體的形成

該研究的 X 射線透射成像發(fā)表在《自然通訊》雜志上，揭示了在一皮秒內(nèi)形成了局限于激光光斑大小的固態(tài)密度熱等離子體，周圍是費米簡并的高溫致密物質(zhì)，并且在數(shù)十皮秒的時間內(nèi)熱等離子體內(nèi)發(fā)生能量弛豫。

研究人員表示，這些結(jié)果驗證了結(jié)合原子過程的二維粒子內(nèi)模擬，并提供了超出當(dāng)前模擬能力的能量傳遞機制見解。研究人員表示

：“這項工作大大提高了我們對固態(tài)密度物質(zhì)中快速電子加熱和能量弛豫的理解，是實現(xiàn)高效高密度等離子體加熱和利用強短脈沖激光推進 HED 科學(xué)和慣性聚變能研究領(lǐng)域的重要基石。”

該項研究得到了美國國家科學(xué)基金會 (NSF) 的資助，可用于多個物理學(xué)領(lǐng)域，包括等離子體物理學(xué)、高能量密度科學(xué)、天體物理學(xué)、慣性聚變能研究以及量子和原子物理學(xué)。

它還可以在其他自由電子激光設(shè)施中實現(xiàn)，例如 SLAC 的下一代 MEC-U 設(shè)施，它將高功率拍瓦和高能千焦耳激光器與 LCLS 相結(jié)合。