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Dr. Thomas Kluge

Wissen­schaftler
Laser-Teilchenbeschleuni­gung
t.klugeAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 2618

Simulation und Modellierung der relativistischen Wechselwirkung ultrakurzer ultraintensiver Laserpulse mit dichten Plasmen.

Eye catcher

Relativistische Wechselwirkung ultra-intensiver Laserpulse mit Festkörpern und experimentelle Untersuchungen mittels Röntgenpulsen an HIBEF, European XFEL

Die Wechselwirkung von ultraintensiven Lasern mit Festkörpern erzeugt extreme Materiezustände: dichte, heiße, nicht im Gleichgewicht befindliche transiente Plasmen.

Ihre Anwendung auf einige der spannendsten und wichtigsten Fragen - Wie können wir genügend nachhaltige Energie erzeugen? Wie kann man Krebs besser behandeln und die besten Therapien für alle verfügbar machen? Wie bilden und verhalten sich Plasmen unter den extremen Bedingungen entfernter Weltraumobjekte? - kann neue und überraschende Antworten geben. Wir erforschen, wie man Ionen mit den leistungsstärksten je gebauten Lasern beschleunigt, z.B. für präklinische Studien zu neuartigen Tumorbestrahlungskonzepten; wie man Plasmen heiß genug aufheizt, um Atome zu fusionieren und die Energie zu erzeugen, die wir alle für unser modernes Leben brauchen; und wir simulieren Plasmaströme und Instabilitäten in astrophysikalischen Jets, um mehr über unser Universum zu erfahren.
Wir verwenden die fortschrittlichsten Rechencodes (PIConGPU), die leistungsfähigsten Supercomputer (HYPNOS, TITAN und andere) und suchen nach Mustern, Gesetzen und finden manchmal überraschend einfache Erklärungen für die wunderbare Physik, die in Laserplasmaexperimenten zu sehen ist.

SAXS @ XFEL
SAXS @ XFEL
Foto: Thomas Kluge
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Die Dynamik ist jedoch oft schwer fassbar, da Licht Festkörper nicht durchdringen kann und die Prozesse auf Nanometer- und Femtosekundenskalen ablaufen. Wir wenden einen neuartigen Ansatz an, um einen noch nie dagewesenen Einblick in dichte und relativistische Plasmen zu erhalten. Während derzeit Experimente auf intensive und komplexe Simulationen der zugrundeliegenden Dynamik angewiesen sind, um Ergebnisse zu interpretieren und abgeleitete Erklärungen und Modelle zu verifizieren, drehen wir das um und können nun mit European XFEL-Pulsen ultrakurze Schnappschüsse aus dem Inneren dichter, laserbeheizter Plasmen machen. Durch die Kombination der weltweit intensivsten optischen Laser und der modernsten Röntgenquellen - Freie-Elektronen-Röntgenlaser - am European XFEL (HIBEF) liefert detaillierte Informationen, die zum ersten Mal einen direkten Blick auf die Femtosekunden- und Nanoskalen-Plasmaphysik erlauben, die an der ultrakurzen, ultraintensiven Laser-Festkörper-Wechselwirkung beteiligt ist: Plasmadichte-Oszillationen, kinetische Instabilitäten, Opazität, starke Magnetfelder, Plasmaexpansion - um nur einige zu nennen. Wir verwenden und entwickeln innovative experimentelle Schemata, wie (Resonant) (Grazing Incidence) Xray (Small Angle) Scattering, Faraday Rotation, Phase Contrast Imaging und Xray Thomson Scattering. Letztendlich können diese Experimente genutzt werden, um Modelle zu testen, neue Erklärungen für einige der schwer fassbaren komplexen Dynamiken der relativistischen Plasmaphysik in Festkörpern zu entwickeln und unsere Simulationen und numerischen Modelle zu benchmarken und schließlich ihre Vorhersagefähigkeiten weiter zu verbessern.

Details

Wenn ein UHI-Laser auf eine feste Folie trifft, ionisiert er schnell die vordere Oberfläche. Die Elektronen bewegen sich in den kombinierten elektromagnetischen Feldern des Lasers und des Plasmas. Aufgrund der starken Felder werden die Elektronen schnell hochrelativistisch. Dies kann zu reichhaltigen physikalischen Effekten führen, wie Instabilitäten (z. B. Rayleigh-Taylor (RT)-ähnliche, parametrische, Weibel-, Buneman-, Widerstands- und Ionisationsinstabilitäten), Schockbildung, Aufheizung vergrabener Schichten durch interne ambipolare Expansion. Diese Effekte sind z.B. wichtig für das Verständnis fast aller fundamentalen Fragen der Laser-Festkörper-Plasmaphysik, wie z.B. Laserabsorption, Elektronen- und Ionenbeschleunigung (RPA, TNSA, BOA, SASL), Filamentierung von Elektronen- und Ionenstrahlen an der Folienoberfläche, innerhalb der Folie oder hinter der Folie, und die Erzeugung hoher Harmonischer. Es gibt jedoch noch keine direkte experimentelle Beobachtung eines der genannten Prozesse (obwohl z.B. indirekte Beobachtungen von Lochbohrungen über Dopplerverschiebung von reflektiertem Licht existieren). Der Grund dafür ist, dass die Zeitskala der Physik ultrakurz ist, in der Größenordnung der Pulsdauer (einige 10 Femtosekunden), der UHI-Laserperiode (typischerweise einige Femtosekunden) oder der Plasmaperiode (unter 0,1 Femtosekunden) und die relevanten räumlichen Skalen im Allgemeinen im Bereich von einigen Mikrometern und darunter liegen. Außerdem sind feste Folien für IR-, sichtbares oder UV-Licht nicht durchdringbar.

Die Entwicklung eines prädiktiven Verständnisses dieser und ihrer Wechselwirkungen, auch fernab des Gleichgewichts, ist eine große Herausforderung der modernen Plasmaphysik, die erhebliche Fortschritte in der Theorie und der numerischen Simulation von Nicht-Gleichgewichts- und nicht-linearen Prozessen erfordert. Gleichzeitig ist es von äußerster Wichtigkeit, viel bessere experimentelle Daten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erhalten. Die Untersuchung des Festkörperplasmas mit XFELs wird völlig neue Wege zur direkten Beobachtung dieser extremen Bedingungen eröffnen und grundlegend neue Daten für die Entwicklung verbesserter Modelle liefern sowie bisherige theoretische Ansätze validieren oder falsifizieren. Dies ist die Voraussetzung, um fortschrittliche Anwendungen wie die schnelle Zündung der Kernfusion oder die Ionenbeschleunigung auf > 100 AMeV Energien zur Heilung tief sitzender Tumore voranzutreiben. Zu den Schlüsselobservablen gehören die lokale Elektronendichte, die Stromdichte, die quasistatischen Magnetfelder und der Ionisationszustand sowie die Wachstumsrate der verschiedenen Störungen und Instabilitäten.


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