Πώς η αλληλεπίδραση υπερ-λέιζερ και χαλκού ανοίγει τον δρόμο για την πυρηνική σύντηξη

Σύνοψη

• Ερευνητές του κέντρου Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) κατέγραψαν την εξέλιξη μετατροπής ύλης σε πλάσμα σε χρόνο picoseconds (τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου).
• Συνδυάστηκαν δύο κορυφαία συστήματα: ένα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (X-ray free-electron laser) και το εξαιρετικά υψηλής έντασης οπτικό λέιζερ ReLaX.
• Το πείραμα προσομοίωσε ακραίες αστροφυσικές συνθήκες, με ένταση που άγγιξε τα 250 τρισεκατομμύρια megawatts ανά τετραγωνικό εκατοστό.
• Άτομα χαλκού απώλεσαν έως και 22 ηλεκτρόνια (ιόντα Cu²²⁺), τα οποία ανέκτησαν πλήρως μέσα σε 10 picoseconds μέσω διαδικασιών επανασύνδεσης.
• Τα ευρήματα βελτιώνουν δραστικά τις προσομοιώσεις που απαιτούνται για την ανάπτυξη μελλοντικών αντιδραστήρων πυρηνικής σύντηξης με λέιζερ.

Το πείραμα του ινστιτούτου HZDR χρησιμοποιεί παλμούς λέιζερ διάρκειας 25 και 30 femtoseconds για να βομβαρδίσει ένα μικροσκοπικό σύρμα χαλκού, δημιουργώντας πλάσμα θερμοκρασίας αρκετών εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Μέσα από την πρωτοποριακή μέθοδο «pump-probe», μετρήθηκε επακριβώς ότι τα άτομα χαλκού χάνουν 22 ηλεκτρόνια και τα ανακτούν πλήρως σε μόλις 10 picoseconds, παρέχοντας τα απαραίτητα δεδομένα για την ακριβή προσομοίωση και λειτουργία μελλοντικών αντιδραστήρων σύντηξης.

Όταν εξαιρετικά έντονοι παλμοί λέιζερ προσκρούουν στην ύλη, το αποτέλεσμα είναι μια βίαιη και ακαριαία απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από τις τροχιές τους γύρω από τους ατομικούς πυρήνες. Η συγκεκριμένη διαδικασία γεννά το πλάσμα —μια εξαιρετικά θερμή κατάσταση της ύλης που αποτελείται από ελεύθερα, φορτισμένα σωματίδια (ιόντα και ηλεκτρόνια). Πρόσφατα, ερευνητές του Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) κατόρθωσαν να παρατηρήσουν αυτή τη διαδικασία ιονισμού με λεπτομέρεια που δεν έχει προηγούμενο στα χρονικά της φυσικής.

Για την επίτευξη αυτού του τεχνικού άθλου, η επιστημονική ομάδα προχώρησε στον συνδυασμό δύο υπερσύγχρονων διατάξεων λέιζερ. Ειδικότερα, συγχρόνισαν το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ με το οπτικό λέιζερ εξαιρετικά υψηλής έντασης, γνωστό ως ReLaX. Η σύνθετη αυτή παρατήρηση έλαβε χώρα στον πειραματικό σταθμό HED-HiBEF των εγκαταστάσεων του European XFEL στο Schenefeld, κοντά στο Αμβούργο της Γερμανίας. Τα δεδομένα που συνελέγησαν παρέχουν θεμελιώδεις απαντήσεις γύρω από την αλληλεπίδραση των λέιζερ υψηλής ενέργειας με την ύλη υπό ακραίες συνθήκες, εγκαθιδρύοντας παράλληλα μια νέα μεθοδολογία για τη διαγνωστική έρευνα πάνω στην πυρηνική σύντηξη.

Η πρόκληση της καταγραφής σε τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου

Το φαινόμενο του ιονισμού εκτυλίσσεται με ασύλληπτη ταχύτητα, μετρώντας τον χρόνο σε picoseconds (τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου). Για να καταστεί δυνατή η λεπτομερής παρακολούθηση της διαδικασίας, οι παλμοί των λέιζερ οφείλουν να είναι σημαντικά ταχύτεροι. Σύμφωνα με τον Δρ. Lingen Huang, επικεφαλής των πειραμάτων στο Τμήμα Υψηλής Ενεργειακής Πυκνότητας του HZDR, οι διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν προσέφεραν ακριβώς αυτές τις προδιαγραφές, διαθέτοντας διάρκεια παλμών μόλις 25 και 30 femtoseconds (ένα femtosecond ισοδυναμεί με το ένα χιλιοστό του picosecond).

Η πειραματική διαδικασία ξεκινά με έναν εκτυφλωτικής έντασης παλμό φωτός, ο οποίος προσκρούει σε ένα εξαιρετικά λεπτό σύρμα χαλκού. Οι διαστάσεις του σύρματος είναι μηδαμινές, αντιστοιχώντας περίπου στο ένα έβδομο του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας. Η ένταση του παλμού προσεγγίζει το ιλιγγιώδες νούμερο των 250 τρισεκατομμυρίων megawatts ανά τετραγωνικό εκατοστό —και μάλιστα επικεντρώνεται σε μια ελάχιστη επιφάνεια για απειροελάχιστο χρονικό διάστημα. Οι συνθήκες αυτές είναι συνήθως εφικτές μόνο σε σπάνια αστροφυσικά περιβάλλοντα, όπως στο άμεσο πεδίο βαρύτητας των αστέρων νετρονίων ή κατά τη διάρκεια εκρήξεων ακτίνων γάμμα.

Το αποτέλεσμα της πρόσκρουσης είναι η ακαριαία εξάτμιση του σύρματος, η οποία δημιουργεί πλάσμα θερμοκρασίας αρκετών εκατομμυρίων βαθμών. Μέσα σε αυτό το απόλυτο χάος, τα άτομα του χαλκού χάνουν δεκάδες ηλεκτρόνια και ιονίζονται πολλαπλώς. Αμέσως μετά την αρχική διέγερση, ακολουθεί με μικρή και μεταβλητή χρονική καθυστέρηση ένας δεύτερος παλμός, ο λεγόμενος παλμός ανίχνευσης. Ο παλμός αυτός συνιστά μια ακραία φωτεινή ριπή στο φάσμα των σκληρών ακτίνων Χ, η οποία παράγεται από το European XFEL. Καθώς η ριπή αλληλεπιδρά με το πλάσμα, ένας εξειδικευμένος ανιχνευτής καταγράφει την κατάσταση. Μέσω της τεχνικής «pump-probe», οι ερευνητές παίρνουν διαδοχικά «φωτογραφικά στιγμιότυπα» της δυναμικής του πλάσματος.

Η ενέργεια των ακτίνων Χ δεν επιλέχθηκε τυχαία. Διαμορφώθηκε με απόλυτη ακρίβεια ώστε να απορροφάται πρωτίστως από τα ιόντα Cu²²⁺ (άτομα χαλκού από τα οποία απουσιάζουν 22 ηλεκτρόνια). Η ενέργεια των φωτονίων, η οποία καθορίστηκε στα 8.2 kiloelectronvolts, αντιστοιχεί ακριβώς σε μια συγκεκριμένη ηλεκτρονιακή μετάβαση στα εν λόγω ιόντα.

Μετά την απορρόφηση, τα ιόντα του χαλκού εκπέμπουν τη δική τους χαρακτηριστική ακτινοβολία Χ. Ανιχνεύοντας την εξέλιξη αυτής της διεγερμένης εκπομπής στον χρόνο, οι επιστήμονες κατάφεραν να υπολογίσουν με ακρίβεια τον ακριβή αριθμό των ιόντων Cu²²⁺ που υφίστανται μέσα στο πλάσμα ανά πάσα στιγμή.

Τα ευρήματα αποκαλύπτουν μια εξαιρετικά δομημένη χρονική ακολουθία. Σχεδόν ακαριαία με την πρόσκρουση του πρώτου λέιζερ στο σύρμα, δημιουργούνται τα πρώτα ιόντα Cu²²⁺. Ο αριθμός τους αυξάνεται εκθετικά και αγγίζει το μέγιστο σημείο (peak) περίπου στα 2,5 picoseconds. Αμέσως μετά, αρχίζουν να κυριαρχούν οι διαδικασίες επανασύνδεσης, με αποτέλεσμα τον ταχύτατο αποπληθυσμό των ιόντων. Σε διάστημα μόλις 10 picoseconds, τα ιόντα Cu²²⁺ δεν είναι πλέον ανιχνεύσιμα. Πρόκειται για το υψηλότερο επίπεδο ακρίβειας που έχει επιτευχθεί ποτέ στην παρατήρηση αυτού του τύπου ιονισμού.

Οι ηλεκτρονικές προσομοιώσεις αποκάλυψαν τον ακριβή μηχανισμό. Ο πρώτος έντονος παλμός λέιζερ λειτουργεί ως σκανδάλη, αφαιρώντας μόλις λίγα ηλεκτρόνια από τα άτομα χαλκού. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια αυτά φέρουν τεράστιο ενεργειακό φορτίο. Διαδίδονται μέσα στο υλικό σαν κύμα, εκτοπίζοντας με τη σειρά τους ολοένα και περισσότερα ηλεκτρόνια από τα γειτονικά άτομα χαλκού. Σταδιακά, αυτή η κινητική ενέργεια εξαντλείται, επιτρέποντας στα ιόντα του χαλκού να αιχμαλωτίσουν εκ νέου τα ηλεκτρόνια τους και να επιστρέψουν σε ουδέτερη κατάσταση.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!