Un láser transforma metal en plasma similar a estrellas en milésimas de segundo

Cuando potentes destellos de láser impactan sobre la materia, pueden expulsar electrones de su posición alrededor de los núcleos atómicos, generando plasma, un estado extremadamente caliente compuesto por partículas cargadas, como iones y electrones. Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) lograron captar este proceso de ionización con un detalle sin precedentes, tal como se reportó en Nature Communications.

Para llevar a cabo este experimento, el equipo combinó dos sistemas láser avanzados: un láser de electrones libres de rayos X y un láser óptico de alta intensidad llamado ReLaX. Ambos se utilizaron en la estación experimental HED-HiBEF del European XFEL en Schenefeld, cerca de Hamburgo. Este trabajo proporciona nuevas perspectivas sobre cómo los láseres de alta energía interactúan con la materia en condiciones extremas y presenta un método prometedor para mejorar los diagnósticos en la investigación de fusión láser.

Seguimiento de la ionización en milésimas de segundo

La ionización ocurre de manera increíblemente rápida, en picosegundos, o solo unos pocos billonésimas de segundo. Captar tales cambios rápidos requiere pulsos láser aún más cortos. "Estas son exactamente las condiciones proporcionadas por los dos láseres que tienen duraciones de pulso de solo 25 y 30 femtosegundos, es decir, billonésimas de segundo", explicó Dr. Lingen Huang, jefe de experimentación en la División de Alta Densidad de Energía del HZDR. Con estos pulsos ultracortos, los investigadores pudieron observar cómo se forma y evoluciona el plasma casi en tiempo real.

Transformando un hilo de cobre en plasma supercalentado

El experimento comenzó con una intensa explosión de luz que impactó sobre un hilo de cobre muy delgado, aproximadamente una séptima parte del grosor de un cabello humano. La energía entregada fue inmensa, alcanzando aproximadamente 250 billones de megavatios por centímetro cuadrado en una pequeña área durante un momento extremadamente breve. Tales condiciones generalmente se encuentran solo en entornos cósmicos extremos, como cerca de estrellas de neutrones o durante explosiones de rayos gamma.

El hilo de cobre se vaporiza instantáneamente, produciendo plasma con temperaturas de varios millones de grados. A medida que esto sucede, los átomos de cobre pierden múltiples electrones y se vuelven altamente ionizados. Los investigadores luego utilizaron un segundo pulso láser, llamado pulso de sondeo, para examinar el plasma. Este pulso, generado por el European XFEL, emite un intenso destello de rayos X duros. Al registrar cómo estos rayos X interactúan con el plasma, los científicos pueden capturar una secuencia de instantáneas, similar a los fotogramas de una película. Este enfoque de bomba-sonda les permite seguir la evolución del plasma paso a paso.

Medición de iones de cobre altamente cargados

Los pulsos de rayos X están cuidadosamente ajustados para interactuar con iones Cu²²⁺, átomos de cobre que han perdido 22 electrones. La energía del fotón de 8.2 kiloelectronvoltios coincide con una transición electrónica específica en estos iones, un proceso conocido como absorción resonante. Tras absorber los rayos X, los iones emiten su propia radiación de rayos X distintiva. "En nuestro experimento de bomba-sonda, medimos exactamente el desarrollo temporal de esta emisión de rayos X estimulada", dijo Huang. "Esto nos muestra cuántos iones Cu²²⁺ están presentes en el plasma en cualquier momento dado."

Una línea de tiempo precisa de la evolución del plasma

Las mediciones revelan una secuencia clara de eventos. Justo después de que el láser impacta el hilo, comienzan a formarse iones Cu²²⁺. Su número aumenta rápidamente y alcanza un pico después de aproximadamente dos y medio picosegundos. Después de eso, comienza la recombinación, y el número de iones disminuye de manera constante. En aproximadamente diez picosegundos, estos iones altamente cargados desaparecen por completo. "Nadie ha observado este tipo de ionización con tanta precisión antes", dijo Prof. Tom Cowan, exdirector del Instituto de Física de Radiación del HZDR.

Las ondas electrónicas impulsan el proceso

Las simulaciones por computadora ayudaron a los investigadores a comprender qué impulsa este comportamiento. El pulso láser inicial solo despoja a unos pocos electrones de los átomos de cobre. Estos electrones llevan alta energía y se mueven a través del material como una ola, liberando electrones adicionales de átomos vecinos. "Son tan ricos en energía que se expanden como una ola y expulsan cada vez más electrones de átomos de cobre vecinos", explicó Cowan. Con el tiempo, estos electrones pierden energía y son gradualmente recapturados por los iones. A medida que la recombinación continúa, los átomos regresan a un estado neutro.

Implicaciones para la investigación de fusión láser

"Este experimento demuestra cuán potentes son nuestros láseres y allana el camino para futuras instalaciones de fusión láser", concluyó Dr. Ulf Zastrau, quien es responsable de la estación experimental HED-HIBEF en el European XFEL, ya que la fusión láser también se basa en plasmas extremadamente calientes que son calentados por láseres y las ondas electrónicas resultantes. "Gracias a nuestros nuevos hallazgos concretos, ahora podemos concentrarnos en seguir refinando nuestras simulaciones de estos procesos", explicó Zastrau. Las simulaciones precisas son esenciales para diseñar reactores de fusión láser eficientes y fiables en el futuro.