En unos pocos picosegundos (una billonésima de segundo), una pequeña y delgada pieza de cobre se convierte momentáneamente en un plasma denso, esencialmente en un estado llamado sólido caliente. Está a unos 200.000 grados Fahrenheit. Con una corta duración de un pulso láser de alta potencia, el cobre pasa de un estado sólido a un estado de plasma en un instante antes de la implosión. Comprender el desarrollo de calor en el cobre es un avance apasionante en la física relacionada con el interior de planetas gigantes y los núcleos de combustible de fusión láser.
Hiroshi Sawada, profesor asociado del departamento de física de la Universidad de Nevada, Reno, junto con sus colegas de varias instituciones internacionales, han desarrollado un método para medir cómo se calientan y enfrían los materiales después de disparar un pulso láser. En un artículo de investigación publicado esta semana en la prestigiosa revista Nature Communications, los investigadores describieron su método. Utilizando pulsos de rayos X de duración ultracorta procedentes de un láser de electrones libres de rayos X (XFEL) en la instalación SPring-8 Angstrom Compact Free-Electron Laser (SACLA) en Japón, los físicos han podido «detectar el cambio de temperatura en materiales a lo largo del tiempo.» Puedes ver. , permite comprender mejor cómo se forma el plasma cuando el metal es atacado por un láser de alta potencia.
Debido al fenómeno de las temperaturas extremadamente altas, hasta ahora era difícil o imposible obtener datos sobre cómo se desarrolla el estado del plasma a través del cobre u otros materiales. En lo que se conoce como experimento de bomba-sonda, los físicos utilizaron un pulso láser relativamente intenso de un láser de alta potencia para calentar primero un pequeño trozo de cobre (la bomba), luego X de un láser secundario tomó un pulso. Imágenes de cobre (investigación). Después de eso, a partir de los datos de la imagen se dedujeron la temperatura y el grado de ionización, o la presencia de plasma dentro del tumor. Los investigadores repitieron el experimento varias veces, retrasando ligeramente el pulso del láser secundario con cada disparo para seguir el progreso del calor a través del material.
El XFEL y los láseres de alta potencia utilizados en estos experimentos están ubicados en una de las tres únicas instalaciones en el mundo capaces de realizar estos experimentos de sonda de bomba; las otras son la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en los Estados Unidos. Estados Unidos y Alemania en el XFEL europeo. Los investigadores realizaron inicialmente estos experimentos antes de la pandemia de COVID-19 utilizando SACLA en RIKEN y el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (JASRI). Los XFEL son herramientas esenciales en una variedad de campos, incluida la ingeniería química y la bioquímica. Los resultados del disparo del láser fueron los datos conocidos más precisos sobre cómo cambiaba el material a medida que se transfería calor en la escala de micras. En una escala, un cabello humano tiene aproximadamente 70 micrones de espesor.
«Teníamos algunas predicciones a partir de las simulaciones, pero esto fue muy diferente de lo que vimos», dijo Sawad. «Nos sorprendió la cantidad de resultados sorprendentes de nuestro primer experimento y no sabíamos qué patrón debíamos resaltar».
Los investigadores esperaban que el cobre se transformara en plasma clásico después de recibir un impulso láser. Lo que los investigadores encontraron, basándose en el pulso de rayos X, fue que el plasma era, en cambio, un estado sólido caliente.
Las muestras con buenos resultados son importantes para los experimentos con láser, porque el tiempo de emisión de un láser de rayos X es extremadamente competitivo. Un grupo de investigación puede tardar años en obtener acceso a un láser específico. En este estudio, las muestras de cobre se cortaron en tiras láser y se montaron manualmente en un soporte para muestras. Cada disparo láser destruyó la tira de cobre y el equipo pudo recopilar datos de 200 a 300 disparos al objetivo.
Las técnicas mejoradas que utilizan pulsos XFEL logran una mejor resolución temporal y espacial que los métodos convencionales. Si bien una décima de billonésima de segundo parece inimaginablemente pequeña, muchas cosas pueden transmitirse a nivel atómico, incluidos frentes de calor que viajan casi a la velocidad de la luz. Swada dijo que el diagnóstico de materia grasa caliente sigue siendo un desafío, que requiere técnicas y métodos de verificación más precisos.
La investigación fue apoyada por una subvención recibida por Sawada de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) destinada a desarrollar nuevas técnicas de medición utilizando el XFEL. Los coautores de Sawada incluyen físicos de JASRI, RIKEN, el Instituto de Ingeniería Láser de la Universidad de Osaka, la Universidad de Stanford, la Universidad de Alberta, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y el Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester, el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC de la Universidad de Stanford.
Sawada prevé que este método se utilice en muchos campos de la física, incluida la física del plasma, la ciencia de alta densidad de energía, la astrofísica, la investigación de la energía de fusión inercial y la física cuántica y nuclear. Esto podría aplicarse a otras instalaciones de láser de electrones libres, como la instalación MEC-U de próxima generación en SLAC, que combina láseres Pittawatt de alta potencia y kilojulios de alta energía con LCLS. Además, estos resultados arrojan luz sobre cuán rápida y eficiente es la transferencia de calor de los láseres a materiales de alta densidad, un tema para una mayor exploración utilizando láseres de intensidad ultraalta como la Instalación de Láser NSF ZEUS de la Universidad de Michigan y la Universidad de Michigan. futuro láser NSF OPAL. en la Universidad de Rochester.
También se puede utilizar para estudiar cómo los defectos a escala micrométrica en los materiales pueden afectar la forma en que se transfiere el calor a través del material y, mediante el uso de láseres basados en otras instalaciones con diferentes producciones de energía, para medir el calor en diferentes materiales.
