Quando intensos flashes de laser atingem a matéria, eles podem tirar os elétrons de suas posições ao redor do núcleo atômico. Este processo cria plasma, um estado extremamente quente composto de partículas carregadas conhecidas como íons e elétrons. Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) capturaram agora esse processo de ionização com detalhes sem precedentes, conforme relatado Comunicação 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 novos insights sobre como os lasers de alta potência interagem com a matéria sob condições extremas. Também apresenta um método promissor para melhorar o diagnóstico na pesquisa de fusão a laser.
Rastreamento de ionização em trilionésimos de segundo
A ionização ocorre incrivelmente rápida, em picossegundos ou alguns trilionésimos de segundo. Capturar mudanças tão rápidas requer pulsos de laser ainda mais curtos.
“Essas são exatamente as condições fornecidas por dois lasers que têm durações de pulso de apenas 25 e 30 femtossegundos – ou seja, trilionésimos de segundo”, explica o Dr. Lingen Huang, chefe de experimentos na divisão HZDR de alta densidade de potência.
Com esses pulsos ultracurtos, os pesquisadores podem observar como o plasma se forma e evolui quase em tempo real.
Transformando um fio de cobre em um plasma superquente
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 imensa, atingindo cerca de 250 biliões de megawatts por centímetro quadrado numa área minúscula por um breve momento. Tais condições são normalmente encontradas apenas em ambientes cósmicos extremos, como perto de estrelas de nêutrons ou durante explosões de raios gama.
O fio de cobre vaporiza instantaneamente, criando plasma a temperaturas de vários milhões de graus. Quando isso acontece, o átomo de cobre perde vários elétrons e torna-se altamente ionizado.
Os pesquisadores então usam um segundo pulso de laser, chamado pulso de sonda, para sondar o plasma. Este pulso, produzido pelo XFEL europeu, emite flashes intensos de raios X fortes. Ao registrar como esses raios X interagem com o plasma, os cientistas podem capturar uma sequência de instantâneos, como quadros de um filme. Este método bomba-sonda permite acompanhar a evolução do plasma passo a passo.
Medindo 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. Uma energia de fótons de 8,2 quiloelétron-volts corresponde a uma transição eletrônica específica desses íons, um processo conhecido como absorção ressonante.
Depois de absorver os raios X, os íons emitem sua própria radiação de raios X.
“Em nosso experimento com sonda de bomba, medimos com precisão a evolução temporal dessa emissão estimulada de raios X”, disse Huang. “Porque nos mostra quanto Cu22+ Os íons estão presentes no plasma a qualquer momento.”
Uma linha do tempo precisa da evolução do plasma
A medição revela uma sequência clara de eventos. Logo após o laser atingir o fio, Cu22+ Os íons começam a se formar. Seu número aumenta rapidamente e atinge o máximo após cerca de dois picossegundos e meio. Depois disso, a recombinação começa e o número de íons diminui continuamente. Em 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 Cowan, ex-diretor do Instituto de Física de Radiação do HZDR.
Elétrons conduzem processos ondulatórios
Simulações de computador ajudaram os pesquisadores a entender o que impulsiona esse comportamento. O pulso inicial do laser retira apenas alguns elétrons do átomo de cobre. Esses elétrons carregam alta energia e se movem através do material como uma onda, atingindo elétrons extras liberados de átomos vizinhos.
“Eles são tão energéticos que se espalham como uma onda e eliminam mais elétrons dos átomos de cobre vizinhos”, explica Cowan.
Com o tempo, esses elétrons perdem energia e são lentamente recuperados por íons. À medida que a recombinação continua, o átomo retorna ao seu estado neutro.
Implicações para a pesquisa de fusão a laser
“Esta experiência mostra o quão poderosos são os nossos lasers e abre caminho para futuras instalações de fusão a laser”, conclui o Dr. Wolf Jastrau, responsável pelo centro de testes HED-HIBEF no XFEL europeu – porque a fusão a laser é baseada em plasmas extremamente quentes que são aquecidos por lasers e pelas ondas de elétrons resultantes.
“Graças às nossas novas descobertas concretas, podemos agora concentrar-nos em refinar as nossas simulações destes processos”, explica Jastrau. A simulação precisa é essencial para projetar reatores de fusão a laser eficientes e confiáveis no futuro.
