Punktem wyjścia był cienki drut miedziany, który poddano działaniu ultrakrótkich, niezwykle intensywnych impulsów laserowych. Energia skoncentrowana na mikroskopijnej powierzchni była tak ogromna, iż w ułamku sekundy doprowadziła do powstania plazmy, czyli stanu materii, w którym elektrony zostają oderwane od atomów. W tym przypadku temperatura osiągnęła poziom rzędu milionów stopni, a więc wartości porównywalne z tymi, jakie występują w gwiazdach lub podczas najbardziej gwałtownych zjawisk kosmicznych.
Czytaj też: Technologia jak z filmu o Bondzie. Fizyka kwantowa pozwala wykryć czyjąś lokalizację z ogromną dokładnością
To jednak był dopiero początek. Kluczowym osiągnięciem badaczy było uchwycenie procesu jonizacji w czasie rzeczywistym. Dzięki połączeniu dwóch zaawansowanych systemów, tj. lasera optycznego o ogromnej mocy oraz lasera rentgenowskiego typu XFEL, naukowcy mogli obserwować zmiany zachodzące w materii w skali femtosekund, czyli biliardowych części sekundy.
Eksperyment pokazał, że atomy miedzi w takich warunkach tracą aż 22 elektrony niemal natychmiast po uderzeniu impulsu laserowego. To oznacza powstanie ekstremalnie naładowanych jonów, które wcześniej były bardzo trudne do zbadania w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Co równie zaskakujące, proces ten nie jest trwały, bo po krótkim czasie elektrony zaczynają wracać, a atomy stopniowo odzyskują swoją neutralność.
Cały mechanizm przypomina lawinę. Pierwszy impuls wybija część elektronów, które następnie – posiadając ogromną energię – oddziałują z sąsiednimi atomami, wywołując kolejne oderwania. W efekcie powstaje kaskadowy proces jonizacji, który rozprzestrzenia się niczym fala w materiale. Jednak ta fala szybko traci impet, a układ zaczyna się uspokajać, prowadząc do rekombinacji cząstek.
Tego rodzaju eksperymenty mogą okazać się kluczowe dla rozwoju technologii syntezy jądrowej, gdzie kontrolowanie plazmy o ekstremalnych temperaturach jest podstawowym wyzwaniem. Fizycy, lepiej rozumiejąc, jak energia rozchodzi się w tak gorącej materii i jak zachowują się elektrony, mogą doprowadzić do projektowania bardziej efektywnych reaktorów fuzyjnych.
Czytaj też: Jeden obiekt w dwóch różnych miejscach jednocześnie. Fizycy dostarczyli przełomowych dowodów
Badania mają także wymiar kosmiczny. Warunki odtworzone w laboratorium przypominają te panujące w pobliżu gwiazd neutronowych czy podczas rozbłysków gamma. Dzięki temu fizycy mogą testować modele opisujące najbardziej energetyczne procesy we wszechświecie bez konieczności wychodzenia poza Ziemię. Eksperyment otwiera więc nowy rozdział w badaniach materii poddanej ekstremalnym warunkom. Po raz pierwszy udało się tak precyzyjnie prześledzić ultrakrótkie procesy jonizacji i rekombinacji w gęstej materii.
Źródło: Nature Communications, Eureka Alert
