Quando intensos flashes de laser atingem a matéria, eles podem tirar os elétrons de suas posições ao redor dos núcleos atômicos. Este processo cria um plasma, um estado extremamente quente composto de partículas carregadas conhecidas como íons e elétrons. Conforme relatado em Comunicações da natureza.
Para conseguir isso, a equipe combinou dois sistemas de laser avançados: um laser de elétrons livres de raios X e o laser óptico de alta intensidade ReLaX. Ambos foram usados na estação experimental HED-HiBEF no European XFEL em Schönefeld, perto de Hamburgo. O seu trabalho fornece uma nova visão sobre como os lasers de alta energia interagem com a matéria sob condições extremas. Também apresenta um método promissor para melhorar o diagnóstico em estudos de fusão a laser.
Rastreamento de ionização em trilionésimos de segundo
A ionização ocorre de forma incrivelmente rápida, em picossegundos ou apenas alguns trilionésimos de segundo. Pulsos de laser ainda mais curtos são necessários para capturar essas mudanças rápidas.
“Essas são exatamente as condições fornecidas por dois lasers com durações de pulso de apenas 25 e 30 femtosegundos – ou seja, trilionésimos de segundo”, explica o Dr. Lingeng Huang, Chefe de Experimentos na Divisão de Alta Densidade de Energia do HZDR.
Com a ajuda desses pulsos ultracurtos, os pesquisadores puderam observar como o plasma se formou e se desenvolveu quase em tempo real.
Transformando fio de cobre em plasma superaquecido
O experimento começa com uma intensa explosão de luz atingindo um fio de cobre muito fino, com cerca de um sétimo da espessura de um fio de cabelo humano. A energia fornecida é enorme, atingindo cerca de 250 biliões de megawatts por centímetro quadrado numa área minúscula por um breve momento. Tais condições são normalmente encontradas apenas em condições cósmicas extremas, como perto de estrelas de nêutrons ou durante explosões de raios gama.
O fio de cobre vaporiza instantaneamente, criando um plasma com temperatura de vários milhões de graus. Quando isso acontece, os átomos de cobre perdem alguns elétrons e tornam-se altamente ionizados.
Os pesquisadores então usam um segundo pulso de laser, chamado pulso de sonda, para sondar o plasma. Este pulso, gerado pelo XFEL europeu, emite uma intensa explosão de raios X fortes. Ao registrar como esses raios X interagem com o plasma, os cientistas podem capturar uma sequência de imagens semelhantes aos quadros de um filme. Esta abordagem de bombeamento permite acompanhar a evolução do plasma passo a passo.
Medição de íons de cobre altamente carregados
Os pulsos de raios X são cuidadosamente ajustados para interagir com íons Cu²²⁺, átomos de cobre que perderam 22 elétrons. A energia do fóton de 8,2 quiloelétron-volts corresponde a uma transição eletrônica específica nesses íons, um processo conhecido como absorção ressonante.
Depois de absorver os raios X, os íons emitem seus próprios raios X característicos.
“Em nosso experimento de bomba e sonda, medimos com precisão a evolução temporal dessa emissão estimulada de raios X”, diz Huang. “Porque nos mostra quanto Cu22+ os íons estão presentes no plasma a qualquer instante.
Gráfico preciso da evolução do plasma
As medições revelam uma sequência clara de eventos. Imediatamente após o laser atingir o fio, o Cu22+ os íons começam a se formar. Seu número aumenta rapidamente e atinge um pico após cerca de dois picossegundos e meio. Depois disso, a recombinação começa e o número de íons diminui constantemente. Após cerca de dez picossegundos, esses íons altamente carregados desaparecem completamente.
“Ninguém nunca olhou para este tipo de ionização com tanta precisão antes”, diz o professor Tom Cowen, ex-diretor do Instituto de Física de Radiação do HZDR.
Ondas de elétrons controlam o processo
Simulações de computador ajudaram os pesquisadores a entender o que impulsiona esse comportamento. O pulso inicial do laser remove apenas alguns elétrons dos átomos de cobre. Esses elétrons carregam muita energia e viajam através do material como uma onda, liberando elétrons adicionais dos átomos vizinhos.
“Eles são tão ricos em energia que se espalham como uma onda e eliminam cada vez mais elétrons dos átomos de cobre vizinhos”, explica Cowen.
Com o tempo, esses elétrons perdem energia e são gradualmente recapturados por íons. À medida que a recombinação continua, os átomos retornam ao estado neutro.
Significado para pesquisa de fusão a laser
“Esta experiência demonstra o quão poderosos são os nossos lasers e abre caminho para futuras instalações de fusão a laser”, conclui o Dr. Ulf Zastrau, responsável pela estação experimental HED-HIBEF no XFEL europeu, porque a fusão a laser também se baseia em plasmas extremamente quentes que são aquecidos por lasers e as ondas de elétrons resultantes.
“Graças às nossas novas descobertas concretas, podemos agora concentrar-nos em melhorar ainda mais a nossa modelação destes processos”, explica Zastrav. Simulações precisas são essenciais para o desenvolvimento de reatores de fusão a laser eficientes e confiáveis no futuro.
