Físicos desenvolvem método de laser ultrarrápido para estudar plasmas de alta densidade

Em alguns picossegundos (trilionésimos de segundo), um pequeno e fino pedaço de cobre se torna momentaneamente plasma denso, especificamente um estado chamado matéria densa morna, sendo quente um termo relativo — o metal está a quase 200.000 graus Fahrenheit. Com a curta duração de um pulso de laser de alta potência, o cobre muda de um estado sólido para um estado de plasma em um instante antes de explodir. Entender a progressão do calor no cobre é um avanço emocionante na física relevante para o interior de planetas gigantes e núcleos de combustível de fusão a laser.

Hiroshi Sawada, professor associado do Departamento de Física da Universidade de Nevada, Reno, junto com seus colegas de diversas instituições internacionais, desenvolveu um método para rastrear como o material aquece e esfria após um pulso de laser ser disparado.

Em um artigo de pesquisa publicado esta semana em Comunicações da Naturezaos pesquisadores descrevem seu método.

Usando pulsos de raios X de duração ultracurta do Laser de Elétrons Livres de Raios X (XFEL) na instalação do Laser de Elétrons Livres Compacto Angstrom SPring-8 (SACLA) no Japão, os físicos podem “ver” a mudança de temperatura no material ao longo do tempo, permitindo uma maior compreensão de como o plasma se forma quando o metal é atingido por lasers de alta potência.

Devido aos fenômenos de aquecimento extremamente rápidos, era anteriormente difícil ou impossível capturar dados sobre como o estado do plasma progride através do cobre ou outro material. No que é conhecido como experimento de sonda de bomba, os físicos usaram um pulso de laser de intensidade relativística de um laser de alta potência para primeiro aquecer um pequeno pedaço de cobre (bomba), então um pulso de raio X de um laser secundário coletou as imagens de raio X do cobre (sonda).

Então, as temperaturas e graus de ionização, ou presença de plasma dentro do cobre, foram deduzidos dos dados da imagem. Os pesquisadores repetiram esse experimento muitas vezes, atrasando o pulso secundário do laser um pouco mais a cada disparo para rastrear a progressão do calor através do material.

O XFEL e os lasers de alta potência usados ​​nesses experimentos estão localizados em uma das três únicas instalações no mundo capazes desses experimentos de bomba-sonda, sendo as outras a Linac Coherent Light Source (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory nos EUA e a European XFEL na Alemanha. Os pesquisadores inicialmente conduziram esses experimentos antes da pandemia da COVID-19 usando o SACLA construído pela RIKEN e o Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI). Os XFELs são ferramentas essenciais em uma ampla gama de campos, incluindo engenharia química e bioquímica.

Os resultados do disparo do laser foram os dados mais precisos relatados sobre como o material mudou conforme o calor foi transferido em uma escala de mícron. Para escala, um cabelo humano tem cerca de 70 mícrons de espessura.

“Tínhamos algumas previsões de simulações, mas isso era totalmente diferente do que víamos”, disse Sawada. “Ficamos impressionados com o número de resultados surpreendentes do nosso primeiro experimento, e não sabíamos qual deles deveríamos destacar.”

Os pesquisadores esperavam que o cobre fosse transformado em plasma clássico após ser atingido pelo pulso de laser. O que os pesquisadores descobriram, com base no pulso de raio X, foi que o plasma era, em vez disso, um estado de matéria densa e quente.

Amostras com resultados robustos são importantes para experimentos de laser, porque o tempo do feixe no laser de raios X é extremamente competitivo. Pode levar anos para um grupo de pesquisa obter acesso a um laser específico. Neste estudo, as amostras de cobre foram cortadas a laser em tiras e montadas manualmente em um suporte de amostra. Cada disparo de laser destruiu a tira de cobre, e a equipe conseguiu coletar dados de 200 a 300 disparos de alvo.

A tecnologia aprimorada usando pulsos XFEL alcança resolução temporal e espacial mais fina do que os métodos convencionais. Enquanto um décimo de um trilionésimo de segundo parece imperceptivelmente pequeno, muito pode acontecer em um nível atômico, incluindo frentes de calor viajando quase na velocidade da luz. Diagnosticar matéria densa quente continua sendo um desafio, exigindo tecnologia mais precisa e métodos de verificação cruzada, disse Sawada.

Os coautores de Sawada incluem físicos do JASRI, RIKEN, Instituto de Engenharia de Laser da Universidade de Osaka, Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC operado pela Universidade de Stanford, Universidade de Alberta, Laboratório Nacional Lawrence Livermore e Laboratório de Energética de Laser da Universidade de Rochester.

Sawada prevê que esse método seja usado em diversas áreas da física, incluindo física de plasma, ciência de alta densidade de energia, astrofísica, pesquisa de energia de fusão inercial e física quântica e atômica. Ele pode ser aplicado em outras instalações de laser de elétrons livres, como a instalação MEC-U de próxima geração no SLAC, que combina lasers de petawatt de alta potência e quilojoule de alta energia com LCLS.

Além disso, essas descobertas esclarecem a rapidez e a eficácia da transferência de calor dos lasers para o material de alta densidade, um tópico para exploração posterior usando lasers de intensidade extremamente alta, como o NSF ZEUS Laser Facility da Universidade de Michigan e um futuro laser NSF OPAL da Universidade de Rochester.

Ele também pode ser usado para estudar como deformidades em microescala no material que está sendo queimado podem afetar a forma como o calor é transferido através do material e, usando lasers baseados em outras instalações com diferentes saídas de energia, testar a progressão do calor em diferentes materiais.