Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Dosažení jedinečné kombinace hustoty a teploty plazmatu pomocí rentgenového laseru s volnými elektrony LCLS.

V letošním prvním únorovém čísle časopisu Nature byl otištěn článek [1] poutající pozornost odborníků na fyziku vysokých hustot energie a vysokoparametrového plazmatu, především její astrofyzikální a fúzní aplikace. Mezinárodní tým vedený mladým oxfordským fyzikem Samem Vinkem vytvořil pomocí fokusovaného svazku rentgenového laseru LCLS (Linac Coherent Light Source [2]) v Menlo Parku v Kalifornii objemovým ohřevem hliníku unikátní extrémní stav hmoty. Vzniklo tak rovnoměrně prohřáté plazma o teplotě až dvou milionů stupňů Kelvina, a to při hustotě pevné látky.

Hmota s vysokou hustou energie (> 10⁵ J/cm³) ve vesmíru převládá. Je přítomna ve všech typech hvězd a v jádrech velkých planet. V pozemských podmínkách se s ní setkáme především v souvislosti s inerciální fúzí. Termodynamické a transportní vlastnosti takové hmoty jsou velkou výzvou pro experimentátory, neboť by optimálně bylo třeba vytvářet homogenní vzorky s dostatečně dlouhou dobou života. Porozumění interakci intenzivního rentgenového záření s pevnou látkou je pak důležité nejen z hlediska základního poznání, nýbrž i pro aplikace.

Podrobné simulace interakčního procesu pomocí radiačně-srážkového kódu vykázaly velmi uspokojivou shodu s experimentálními výsledky získanými na LCLS. Práce prezentuje poznatky o vývoji rozdělení nábojových stavů, elektronové hustotě a teplotě a časových poměrech srážkových procesů v tomto unikátním typu plazmatu. Popisované experimenty a simulace poskytují užitečné informace i pro budoucí jiné experimenty s pevnými terčíky. Uplatní se například při difrakčním zobrazování biologických objektů, pro materiálové výzkumy nebo ke studiu chování hmoty v extrémních podmínkách.

Nomarského mikroskopem pořízený snímek ablačních otisků (imprintů) fokusovaného svazku rentgenového laseru s volnými elektrony LCLS do monokrystalického vzorku wolframanu olovnatého (PbWO₄). Vlevo nahoře je vložena závislost poměru prahové a aktuální špičkové fluence (plošné hustoty energie) f = E_th/E_pulse na ploše poškozené oblasti povrchu PbWO₄, která slouží ke stanovení efektivní plochy svazku fokusovaného na povrch terče a dalších interakčních parametrů - více viz [3], [4].

Spoluautoři článku z FZÚ AV ČR L. Juha, V. Hájková, J. Chalupský, T. Burian a L. Vyšín významně přispěli k úspěchu experimentu a interpretaci naměřených dat. Provedli rekonstrukci příčného rozdělení intenzity záření ve fokusovaném rentgenovém svazku, a to z jeho ablačních otisků ve vhodném materiálu pomocí jejich originální metody [3], [4]. Pro tento účel použili monokrystalický PbWO₄, který absorbuje dostatečně silně laserový rentgenový svazek a navíc vykazuje i příhodné ablační vlastnosti. Tento materiál je dlouhá léta připravován a zkoumán ve FZÚ ve skupinách M. Nikla a P. Boháčka, což umožnilo i jeho současné efektivní použití pro rentgenovou ablaci.

[1] S. M. Vinko, O. Ciricosta, B.-I. Cho, K. Engelhorn, H.-K. Chung, C. Brown, T. Burian, J. Chalupsky, R. Falcone, C. Graves, V. Hajkova, A. Higginbotham, L. Juha, J. Krzywinski, H. J. Lee, M. Messerschmidt, C. Murphy, Y. Ping, A. Scherz, W. Schlotter, S. Toleikis, J. J. Turner, L. Vysin, T. Wang, B. Wu, U. Zastrau, D. Zhu, R. W. Lee, P. A. Heimann, B. Nagler, J. S. Wark: Creation and diagnosis of solid-density hot-dense matter with an X-ray free-electron laser, Nature 482, 59 (2012).