近日，德国累斯顿 - 罗森多夫亥姆霍兹中心科学家展现了极端物理现象：捕捉到强大激光束将物质轰击成超高温等离子体时的瞬间混乱过程。相关成果发表于《自然通讯》杂志。
实验中，研究人员结合X射线自由电子激光器和高强度光学激光器ReLaX这两套先进激光系统，它们在位于汉堡附近舍内费尔德的欧洲XFEL的HED - HiBEF实验站运行。通过调节XFEL光子能量，使其匹配高功率激光产生的带高电荷铜离子中的特定电子跃迁，让X射线激发离子内电子，增强等离子体对辐射的吸收和发射强度并直接测量。
电离过程仅需皮秒级，即万亿分之一秒。脉冲持续时间为25和30飞秒的两台激光器提供条件，利用超短脉冲，研究人员可近乎实时观察等离子体形成和演变。
实验开始，一道强光照射到直径约人类头发丝七分之一的极细铜线上，一平方厘米面积上能量达每平方厘米约250万亿兆瓦，铜丝瞬间汽化，产生数百万度等离子体，铜原子高度电离。随后，使用由欧洲XFEL产生的第二个激光脉冲(探测脉冲)发射硬X射线闪光，通过记录X射线与等离子体相互作用捕捉快照，用泵浦 - 探测方法逐步追踪等离子体演化。
X射线脉冲经调整与Cu²²⁺离子(失去22个电子的铜原子)相互作用，8.2千电子伏光子能量匹配特定电子跃迁，即共振吸收。离子吸收X射线后释放独特X射线辐射。黄凌根博士称，精确测量受激X射线发射的时间演变，能得知等离子体中任意时刻Cu²²⁺离子数量。
测量结果显示，激光照射导线后，Cu²²⁺离子立即形成，数量迅速增加，约2.5皮秒后达峰值，之后复合反应开始，离子数量下降，约10皮秒内高电荷离子完全消失。汤姆·考恩教授称以前从未如此精确研究过此类电离。
计算机模拟显示，初始激光脉冲从铜原子剥离少量电子，这些高能电子像波一样在材料中传播并击出更多电子。随时间推移，电子失去能量被离子重新捕获，原子恢复中性。
欧洲XFEL的HED - HIBEF实验站负责人乌尔夫·扎斯特劳博士总结，该实验证明激光器强大，为未来激光聚变设施铺路，新发现有助于改进过程模拟，精确模拟对设计高效可靠激光聚变反应堆至关重要。
