دانشمندان لحظه تولد پلاسما را در تریلیونم ثانیه ثبت کردند

دانشمندان با استفاده از لیزر‌های فوق‌سریع توانسته‌اند روند تبدیل ماده به پلاسما و فرایند یونیزاسیون در فلز مس را با دقتی در حد پیکوثانیه مشاهده کنند؛ دستاوردی که می‌تواند به بهبود تحقیقات در زمینه همجوشی لیزری کمک کند.

به گزارش پژوهشگران مرکز هلمهولتس درسدن–روسندورف (HZDR)، هنگامی که پالس‌های لیزری بسیار شدید به ماده برخورد می‌کنند الکترون‌ها از مدار‌های خود در اطراف هسته اتم‌ها جدا می‌شوند. این فرایند موجب شکل‌گیری پلاسما یعنی ماده‌ای بسیار داغ متشکل از ذرات باردار مانند یون‌ها و الکترون‌های آزاد، می‌شود. اکنون تیمی از دانشمندان موفق شده‌اند این روند یونیزاسیون را با جزئیاتی بی‌سابقه مشاهده کنند. نتایج این پژوهش در نشریه Nature Communications منتشر شده است.

برای انجام این آزمایش پژوهشگران دو سامانه پیشرفته لیزری را در ایستگاه آزمایشی HED‑HiBEF در تاسیسات European XFEL واقع در شنه‌فلد نزدیک هامبورگ ترکیب کردند. یکی از این سامانه‌ها لیزر پرتو ایکس مبتنی بر الکترون آزاد (X-ray free‑electron laser) و دیگری لیزر نوری بسیار پرتوانی به نام ReLaX بود. این ترکیب امکان مطالعه دقیق برهم‌کنش لیزر‌های پرانرژی با ماده در شرایط بسیار شدید را فراهم کرد و در عین حال رویکرد جدیدی برای بهبود روش‌های تشخیصی در تحقیقات همجوشی لیزری ارائه داد.

فرایند یونیزاسیون در بازه زمانی بسیار کوتاهی رخ می‌دهد؛ در حد پیکوثانیه، یعنی تریلیونم ثانیه. ثبت چنین تغییرات سریعی به پالس‌های لیزری حتی کوتاه‌تر نیاز دارد. لینگن هوانگ رئیس بخش آزمایش‌ها در دپارتمان چگالی انرژی بالا در HZDR توضیح می‌دهد: دقیقا چنین شرایطی توسط دو لیزر مورد استفاده در این آزمایش فراهم شد که مدت پالس آنها تنها ۲۵ و ۳۰ فمتوثانیه است.

در آغاز آزمایش یک پالس نوری بسیار شدید به سیم نازکی از جنس مس برخورد می‌کند که ضخامت آن حدود یک‌هفتم ضخامت موی انسان است. این لیزر در کسری از زمان، انرژی‌ای معادل حدود ۲۵۰ تریلیون مگاوات بر سانتی‌متر مربع را بر سطحی بسیار کوچک متمرکز می‌کند؛ سطحی از انرژی که معمولا تنها در محیط‌های کیهانی نادری مانند نزدیکی ستاره‌های نوترونی یا در جریان انفجار‌های پرتو گاما مشاهده می‌شود.

این انرژی عظیم باعث می‌شود سیم مسی تقریبا بلافاصله تبخیر شده و پلاسما با دمایی در حد چند میلیون درجه ایجاد شود. در این شرایط اتم‌های مس بسیاری از الکترون‌های خود را از دست داده و به یون‌های بسیار باردار تبدیل می‌شوند. کمی پس از پالس اول، پالس لیزری دوم وارد عمل می‌شود. پالس نخست پلاسما را ایجاد می‌کند و پالس دوم که پالس کاوشگر نام دارد از پرتو‌های ایکس بسیار شدید تولیدشده در تاسیسات European XFEL تشکیل شده است.

یک آشکارساز بررسی می‌کند که این پالس کاوشگر چگونه با پلاسما برهم‌کنش می‌کند و در واقع مجموعه‌ای از عکس‌های فوری از این فرایند ثبت می‌شود. این روش که پمپ–پروب نام دارد به دانشمندان اجازه می‌دهد تکامل پلاسما را مرحله‌به‌مرحله مشاهده کنند؛ به این صورت که پالس اول فرایند را آغاز می‌کند و پالس دوم با تأخیری کنترل‌شده وضعیت سیستم را بررسی می‌کند.

پالس‌های پرتو ایکس به‌گونه‌ای تنظیم شده‌اند که انرژی آنها عمدتاً توسط یون‌های Cu²²⁺ جذب شود؛ یعنی اتم‌های مسی که ۲۲ الکترون خود را از دست داده‌اند. انرژی فوتون‌ها برابر با ۸٫۲ کیلوالکترون‌ولت است که با یک گذار الکترونی خاص در این یون‌ها تطابق دارد؛ پدیده‌ای که جذب تشدیدی نامیده می‌شود.

پس از جذب این انرژی یون‌ها پرتو ایکس ویژه‌ای از خود گسیل می‌کنند. هوانگ می‌گوید: در آزمایش پمپ–پروب ما تحول زمانی این تابش تحریک‌شده پرتو ایکس را با دقت اندازه‌گیری می‌کنیم. این اندازه‌گیری نشان می‌دهد در هر لحظه چه تعداد یون Cu²²⁺ در پلاسما وجود دارد.

اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد این یون‌ها تقریبا بلافاصله پس از برخورد لیزر با سیم مسی ظاهر می‌شوند. تعداد آنها به سرعت افزایش یافته و حدود ۲٫۵ پیکوثانیه بعد به بیشینه می‌رسد. سپس فرایند بازترکیب آغاز می‌شود و تعداد یون‌ها به تدریج کاهش می‌یابد. پس از حدود ۱۰ پیکوثانیه دیگر هیچ نشانه‌ای از این یون‌ها قابل تشخیص نیست.

تام کوان، مدیر پیشین موسسه فیزیک تابش در HZDR می‌گوید: پیش از این هیچ‌کس چنین نوعی از یونیزاسیون را با این دقت زمانی مشاهده نکرده بود.

شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای به توضیح فیزیک پشت این پدیده کمک کردند. در ابتدا پالس لیزری تعداد کمی از الکترون‌ها را از اتم‌های مس جدا می‌کند. کوان توضیح می‌دهد: این الکترون‌ها آن‌قدر پرانرژی هستند که مانند موجی در ماده پخش می‌شوند و الکترون‌های بیشتری را از اتم‌های مس مجاور جدا می‌کنند. با گذشت زمان این الکترون‌های پرانرژی انرژی خود را از دست می‌دهند و دوباره توسط یون‌ها جذب می‌شوند و اتم‌ها به حالت خنثی بازمی‌گردند.

اولف زاستراو، مسئول ایستگاه آزمایشی HED‑HiBEF در European XFEL می‌گوید: این آزمایش نشان می‌دهد لیزر‌های ما تا چه اندازه قدرتمند هستند و مسیر را برای تأسیسات آینده همجوشی لیزری هموار می‌کند.

به گفته او همجوشی لیزری نیز بر پایه پلاسما‌های بسیار داغی است که توسط لیزر‌ها و موج‌های الکترونی حاصل از آنها گرم می‌شوند. او می‌افزاید: اکنون با یافته‌های دقیق جدید می‌توانیم شبیه‌سازی‌های خود از این فرایند‌ها را بیشتر بهبود دهیم. این پیشرفت‌ها برای طراحی رآکتور‌های کارآمد همجوشی لیزری ضروری خواهد بود.

انتهای پیام/