该方法可用于等离子体物理、高能密度科学、天体物理学和惯性聚变能研究。(代表性图像)
研究人员已经开发出一种新方法来监测温暖、密集物质等离子体中的超快速热进程。
内华达大学研究人员领导的这项研究追踪了材料在受到激光脉冲照射后如何升温、降温。
利用日本 SPring-8 埃紧凑型自由电子激光器 (SACLA) 设施的 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 发出的超短 X 射线脉冲，物理学家可以“看到”材料随时间的温度变化。
这一突破使我们更深入地了解金属暴露于高功率激光时等离子体是如何形成的。
第一次实验的惊人结果
该方法是由内华达大学里诺分校物理系副教授 Hiroshi Sawada 和来自多家国际机构的同事共同开发的。Sawada 表示：“我们从模拟
中得到了一些预测，但结果与我们看到的完全不同。第一次实验中出现如此多令人惊讶的结果，我们感到不知所措，不知道应该重点介绍哪一个。”
薄薄的铜片瞬间变成致密的等离子体
研究人员指出，在几皮秒(万亿分之一秒)的时间内，一小片薄薄的铜瞬间变成致密的等离子体，具体来说是称为温致密物质的状态。
这里的“温暖”是一个相对术语——金属的温度接近 20 万华氏度。
在高功率激光脉冲的短暂持续时间内，铜在爆炸前瞬间从固态转变为等离子态。研究表明，了解铜中的热量变化是物理学中一项令人兴奋的突破，与巨行星内部和激光聚变燃料芯有关。
以前很难捕捉等离子体状态如何发展的数据
由于极快的加热现象，获取等离子体状态如何通过铜或其他材料发展的数据以前是具有挑战性或不可能的。
在所谓的泵浦探测实验中，物理学家首先使用高功率激光器发出的相对论强度激光脉冲加热一小块铜(泵浦)，然后使用来自次级激光器的 X 射线脉冲收集铜的 X 射线图像(探测器)。然后，从图像数据中推断出温度和电离度，或铜内等离子体的存在。内华达大学
的研究人员表示，研究人员多次重复此实验，每次发射时将次级激光脉冲延迟一段时间，以跟踪热量通过材料的进展。
X射线透射成像揭示了固体密度热等离子体的形成
该研究的 X 射线透射成像发表在《自然通讯》杂志上，揭示了在一皮秒内形成了局限于激光光斑大小的固态密度热等离子体，周围是费米简并的高温致密物质，并且在数十皮秒的时间内热等离子体内发生能量弛豫。
研究人员表示，这些结果验证了结合原子过程的二维粒子内模拟，并提供了超出当前模拟能力的能量传递机制见解。研究人员表示
：“这项工作大大提高了我们对固态密度物质中快速电子加热和能量弛豫的理解，是实现高效高密度等离子体加热和利用强短脉冲激光推进 HED 科学和惯性聚变能研究领域的重要基石。”
该项研究得到了美国国家科学基金会 (NSF) 的资助，可用于多个物理学领域，包括等离子体物理学、高能量密度科学、天体物理学、惯性聚变能研究以及量子和原子物理学。
它还可以在其他自由电子激光设施中实现，例如 SLAC 的下一代 MEC-U 设施，它将高功率拍瓦和高能千焦耳激光器与 LCLS 相结合。
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