Scharfer Blick in heißes Plasma

Treffen Laserblitze auf Materie, werden Elektronen aus ihren Bahnen rund um die Atomkerne gestoßen. Dabei können extrem heiße Plasmen entstehen. Forschende vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) beobachteten diesen Prozess der Ionisation nun so genau wie nie zuvor. Dazu kombinierten sie zwei Laser der Extraklasse: den Freie-Elektronen-Röntgenlaser am European XFEL und den optischen Hochintensitäts-Laser ReLaX der HED-HiBEF-Experimentierstation in Schenefeld bei Hamburg. Ihre Ergebnisse liefern nicht nur grundlegende Erkenntnisse über die Wechselwirkung von Hochenergielasern und Materie unter extremen Bedingungen. Die neue Methode eröffnet zudem neue Möglichkeiten für die Diagnostik in der Laserfusionsforschung.

Im Experiment wurde die XFEL-Photonen­energie gezielt so ein­ge­stellt, dass sie einer be­stimm­ten elek­tro­ni­schen Über­gangs­ener­gie in hoch­ge­la­de­nen Kupfer­ionen ent­spricht, die mit­hil­fe eines Hoch­leis­tungs­lasers (rot) er­zeugt wur­den. Un­ter die­sen Be­ding­ung­en regt das Rönt­gen­licht (bläu­lich) Elek­tro­nen in­ner­halb der Ionen an, wo­durch sich die Ab­sorp­tions- und Emis­sions­eigen­schaf­ten des Plas­mas ver­stär­ken.

Quelle: B. Schröder / HZDR

Eine Ionisation verläuft extrem schnell – im Pikosekunden-Bereich, innerhalb weniger billionstel Sekunden. Um diesen Prozess im Detail verfolgen zu können, müssen die Laserblitze noch deutlich kürzer sein. „Genau diese Bedingungen bieten uns die beiden Laser mit Pulsdauern von nur 25 und 30 Femtosekunden – also billiardstel Sekunden“, erklärt Dr. Lingen Huang, Leiter der Experimente in der HZDR-Abteilung „Hoch-Energiedichte“.

Zunächst trifft ein extrem intensiver optischer Lichtblitz auf einen filigranen Kupferdraht, der nur etwa ein Siebtel so dick ist wie ein menschliches Haar. Die Intensität des Pulses beträgt dabei rund 250 Billionen Megawatt pro Quadratzentimeter – konzentriert auf eine winzige Fläche und für extrem kurze Zeit. Solche Werte werden sonst nur unter außergewöhnlichen Bedingungen erreicht, etwa in extremen astrophysikalischen Umgebungen wie der unmittelbaren Nähe von Neutronensternen oder bei Gammastrahlenausbrüchen.

Der Draht verdampft schlagartig, und es entsteht ein mehrere Millionen Grad heißes Plasma. Dabei verlieren die Kupferatome viele ihrer Elektronen – sie werden gleich mehrfach ionisiert. Auf den sogenannten Pump-Puls, der das Plasma erzeugt, folgt in kurzen, variablen Zeitabständen ein zweiter Lichtblitz, der Probe-Puls. Dieser ist ein extrem brillanter Blitz im harten Röntgenspektrum, erzeugt vom European XFEL. Dessen Interaktion mit dem Plasma wird von einem Detektor aufgezeichnet. Wie bei einer Fotokamera entstehen so Momentaufnahmen des Prozesses. Mit diesem Pump-Probe-Verfahren, bei dem ein erster Puls einen Prozess auslöst und ein zweiter ihn zeitaufgelöst „abfragt“, können die Forschenden die Dynamik im Plasma Schritt für Schritt verfolgen.

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Die Energie der Röntgenpulse ist dabei exakt so eingestellt, dass sie bevorzugt von Cu^22⁺-Ionen absorbiert wird. Die Photonenenergie von 8,2 keV passt dabei genau zu einem spezifischen elektronischen Übergang in diesen Ionen – resonante Absorption.

Nach der Absorption senden die Kupferionen ihrerseits eine charakteristische Röntgenstrahlung aus. „In unserem Pump-Probe-Experiment messen wir genau die zeitliche Entwicklung dieser stimulierten Röntgenemission“, sagt Huang. „Denn sie zeigt uns, wie viele Cu^22⁺-Ionen zu jedem Zeitpunkt im Plasma vorhanden sind.“

Das Ergebnis zeigt eine ausgeprägte Zeitstruktur des Prozesses: Unmittelbar nachdem der Laser auf den Kupferdraht trifft, bilden sich die ersten Cu^22⁺-Ionen. Ihre Zahl steigt rasch an und erreicht nach etwa zweieinhalb Pikosekunden ein Maximum. Anschließend nimmt die Ionenzahl infolge von Rekombinationsprozessen wieder ab. Bereits nach rund zehn Pikosekunden sind keine Cu^22⁺-Ionen mehr nachweisbar. „So genau hat noch niemand zuvor auf diese Art von Ionisation geschaut“, sagt Tom Cowan, ehemaliger Direktor des Instituts für Strahlenphysik am HZDR.

Gestützt von ausgeklügelten Simulationen am Computer kennen die Physiker:innen um Cowan und Huang auch die Gründe für diesen Verlauf der Ionisation. So wirkt der erste intensive Laserpuls als Trigger und entreißt den Kupferatomen nur wenige Elektronen. „Diese sind so energiereich, dass sie sich wie eine Welle ausbreiten und immer mehr Elektronen aus benachbarten Kupferatomen herausschlagen“, erläutert Cowan. Doch nach und nach geht den Elektronen quasi die Puste aus. Sie werden wieder von den Kupferionen eingefangen. Am Ende dieser Rekombination liegen schließlich wieder neutrale Kupferatome vor.

„Dieses Experiment zeigt die Leistungsfähigkeit unserer Laser und ebnet darüber hinaus den Weg für zukünftige Laserfusionsanlagen“, resümiert Ulf Zastrau, am European XFEL verantwortlich für die HED-HiBEF-Experimentierstation. Denn auch die Laserfusion basiert auf extrem heißen Plasmen, die durch Laser und die darauffolgenden Elektronenwellen aufgeheizt werden. „Dank der neuen konkreten Ergebnisse lassen sich vor allem die Simulationen dieser Prozesse weiter verfeinern“, erklärt Zastrau. Diese sind wesentlich, um einen Laserfusionsreaktor präzise planen zu können. [HZDR / dre]