Europejski laser rentgenowski bada słabo poznany stan materii

EurekAlert!: [https://www.eurekalert.org/news-releases/1054008]

7 sierpnia 2024

Ciepła gęsta materia występuje w środku planet-olbrzymów typu Jowisza (gdzie jako metaliczna ciecz o temperaturze wielu tysięcy kelwinów otula skaliste jądro) oraz wewnątrz małych gwiazd – brązowych karłów. (Źródło: IFJ PAN / NASA)

Właściwości ciepłej plazmy o gęstości ciała stałego do niedawna były znane w niewielkim stopniu. Teraz, dzięki użyciu laserów rentgenowskich, fizycy zdobywają coraz więcej informacji o tym równie ważnym, co zagadkowym stanie materii. Pierwsze kompleksowe obserwacje zachodzących w nim procesów jonizacji, wykonane za pomocą Europejskiego Lasera na Swobodnych Elektronach (European XFEL), właśnie zostały zaprezentowane na łamach jednego z najbardziej prestiżowych czasopism fizycznych.

Stan materii o temperaturze rzędu kilku tysięcy stopni i dużej gęstości, bliskiej gęstości ciała stałego, występuje między innymi we wnętrzach małych gwiazd oraz planet gazowych. Choć powszechny we Wszechświecie, laboratoryjnie jest bardzo trudny do wytworzenia i analizowania. Nowa era w badaniach eksperymentalnych nad tą tzw. ciepłą gęstą materią (warm dense matter, WDM) zaczęła się zaledwie kilkanaście lat temu, gdy fizycy uruchomili pierwsze lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach. Czołowe miejsce wśród urządzeń tego typu zajmuje europejski laser European XFEL o długości niemal 3.5 km. Seria doświadczeń, zrealizowana ostatnio na jego stanowiskach eksperymentalnych, pozwoliła po raz pierwszy zaobserwować, jak szybko metal przechodzi w egzotyczny stan zjonizowanej materii WDM, by na końcu procesu stać się przezroczysty (nieabsorbujący) dla promieniowania rentgenowskiego. Osiągnięcie międzynarodowego zespołu naukowców – w tym z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie – omówiono w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Nature Physics”.

Lasery na swobodnych elektronach (X-Ray Free-Electron Laser, XFEL) służą do generowania impulsów promieniowania rentgenowskiego o dużej intensywności i czasach trwania liczonych w pojedynczych femtosekundach, czyli milionowych częściach miliardowej części sekundy. Za pomocą takich impulsów można w unikatowy sposób badać strukturę materii i śledzić zjawiska zachodzące w ekstremalnie krótkich skalach czasowych. Jednym z zaledwie kilkunastu takich urządzeń na świecie jest European XFEL w Hamburgu, wybudowany przy współpracy z ośrodkiem DESY.

„W trakcie naszych doświadczeń w European XFEL oświetlaliśmy próbki miedzi impulsami promieniowania rentgenowskiego o czasie trwania 15 femtosekund i różnych, stopniowo rosnących natężeniach”, przedstawia przebieg eksperymentów prof. dr hab. Beata Ziaja-Motyka (IFJ PAN, DESY). Pierwszy autor omawianego artykułu, dr Laurent Mercadier z ośrodka European XFEL, uzupełnia ten opis o szczegóły fizyczne: „Gdy pojedynczy rentgenowski impuls laserowy docierał do materiału, powodował jego silną jonizację. Uwalniane w jej trakcie elektrony charakteryzowały się wysoką temperaturą. W tych ekstremalnych warunkach miedź przechodziła w stan ciepłej gęstej materii. My skrupulatnie rejestrowaliśmy, ile promieniowania przez tę materię przechodzi i na tej podstawie wnioskowaliśmy o zmianach jonizacji w obserwowanym układzie”.

Przy interpretowaniu wyników pomiarów szczególnie pomocne okazały się symulacje wykonane za pomocą programu BOLTZMANN SOLVER, rozwijanego od 2004 roku w DESY przez prof. Ziaję-Motykę. Narzędzie to zostało użyte do symulowania zmian w obsadzeniu poszczególnych poziomów energetycznych w materii WDM przez elektrony w zależności od natężenia padającego na nią promieniowania laserowego.

Konfrontacja danych eksperymentalnych z symulacjami pozwoliła ustalić, że gdy natężenie promieniowania rentgenowskiego staje się odpowiednio duże, atomy materii WDM stają się silnie zjonizowane. Wskutek tego zjawiska pojawiają się nowe stany energetyczne możliwe do obsadzenia przez wzbudzane elektrony. Stany te były już obserwowane wcześniej za pomocą laserów optycznych, których ograniczenia energetyczne nie pozwoliły jednak na ich dokładniejsze zbadanie. Teraz, dzięki laserowi rentgenowskiemu European XFEL, udało się je dokładnie scharakteryzować w zależności od natężenia impulsów z tego lasera. Zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi dla widm pochłaniania promieniowania rentgenowskiego, przygotowanymi pod kierunkiem dr. Joshua Kasy (University of Washington, USA) i dr. Andrieja Benediktovitcha (DESY, Hamburg), zaobserwowano ponadto, że ciepła gęsta materia w pewnym momencie stawała się przezroczysta dla impulsu laserowego.

„Pojawienie się 'przezroczystości' – czyli braku absorpcji – w materii WDM to konsekwencja wysokiego zjonizowana jej atomów, występującego od pewnych wartości natężeń impulsów laserowych. Energia fotonów promieniowania rentegnowskiego dostępna w eksperymencie staje się wtedy zbyt mała, aby wzbudzić kolejne elektrony. W efekcie fotony te w ogóle przestają być pochłaniane przez ciepłą gęstą materię”, wyjaśnia prof. Ziaja-Motyka.

Wiedza o właściwościach ciepłej gęstej materii i zachodzących w niej procesach ma znaczenie nie tylko astrofizyczne, ale także praktyczne, inżynierskie. Materia w tym stanie odgrywa bowiem ważną rolę w niektórych rodzajach kontrolowanej fuzji jądrowej (ICF – Inertial Confinement Fusion), pojawia się także w trakcie ablacji metalowych osłon termicznych statków kosmicznych powracających z orbity na Ziemię.

Zespół fizyków przy europejskim laserze rentgenowskim European XFEL, kierowany przez prof. dr Ninę Rohringer (DESY, Universität Hamburg), zamierza kontynuować badania nad procesami elektronowymi i jonizacyjnymi zachodzącymi w materii WDM i ich dynamiką. Po stronie polskiej prace są współfinansowane przez Instytut Fizyki Jądrowej PAN.

[PDF]

Kontakt:

prof. dr hab. Beata Ziaja-Motyka
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
Center for FEL Science, DESY
tel.: +48 12 662 8209
email: ziaja@mail.desy.de

Publikacje naukowe:

„Transient Absorption of Warm Dense Matter Created by an X-Ray Free-Electron Laser”
L. Mercadier, A. Benediktovitch, S. Krusic, J. J. Kas, J. Schlappa, M. Agaker, R. Carley, G. Fazio, N. Gerasimova, Y. Y. Kim, L. Le Guyader, G. Mercurio, S. Parchenko, J. J. Rehr, J.-E. Rubensson, S. Serkez, M. Stransky, M. Teichmann, Z. Yin, M. Zitnik, A. Scherz, B. Ziaja-Motyka, N. Rohringer
Nature Physics 2024
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02587-w

Materiały graficzne:

Ciepła gęsta materia występuje w środku planet-olbrzymów typu Jowisza (gdzie jako metaliczna ciecz o temperaturze wielu tysięcy kelwinów otula skaliste jądro) oraz wewnątrz małych gwiazd – brązowych karłów. (Źródło: IFJ PAN / NASA)