Relativistische Laserinteraktion mit Festkörpern und ihre Untersuchung mit neuesten Lichtquellen

Die Wechselwirkung von ultra-intensiven Lasern mit Festkörpern erzeugt extreme Zustände der Materie: dichte, heiße, nicht im Gleichgewicht befindliche transiente Plasmen.

Deren Anwendung auf einige der spannendsten und wichtigsten Fragen - Wie können wir genügend nachhaltige Energie erzeugen? Wie kann man Krebs besser behandeln und die besten Behandlungen für alle zugänglich machen? Wie entstehen und verhalten sich Plasmen unter den extremen Bedingungen entfernter Raumobjekte? - können neue und überraschende Antworten geben. Wir untersuchen, wie man Ionen mit zwei der leistungsstärksten Laser, die je gebaut wurden, beschleunigen kann, wie man Plasmen erhitzt, die heiß genug sind, um Atome zu verschmelzen und die Energie zu erzeugen, die wir alle brauchen, um unser modernes Leben anzutreiben; und um Plasmaströme und Instabilitäten in astrophysikalischen Jets zu simulieren, 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 Laser-Plasma-Experimenten zu sehen ist.

Untersuchung relativistischer Laserinteraktionen mit Hochleistungslichtquellen

SAXS @ XFEL

Foto: Thomas Kluge

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Wir haben einen neuartigen Ansatz vorgeschlagen und entwickelt, um einen beispiellosen Einblick in dichte und relativistische Plasmen zu erhalten. Derzeit werden die Ergebnisse durch intensive und komplexe Simulationen interpretiert und die daraus abgeleiteten Erklärungen und Modelle verifiziert. Wir wollen das umkehren und werden bald in der Lage sein, ultrakurze Momentaufnahmen des Inneren von dichten laserbeheizten Plasmen mit Hilfe von Röntgenpulsen zu machen. Die Kombination der weltweit intensivsten optischen Laser mit den modernsten Röntgenquellen - den Freie-Elektronen-Lasern - am European XFEL (HIBEF) wird in Zukunft detaillierte Informationen liefern, die erstmals einen direkten Einblick in die ultrakurze, nanoskalige Plasmaphysik der ultrakurzen Laser-Festkörper-Interaktion ermöglichen. Dann könnten Experimente genutzt werden, um unsere Simulationen und numerischen Modelle zu qualifizieren und zu verifizieren, und schließlich ihre Vorhersagefähigkeiten weiter zu verbessern.

Details

Wenn ein UHI-Laser auf eine feste Folie trifft, ionisiert er schnell die Vorderseite. Die Elektronen bewegen sich in den kombinierten elektromagnetischen Feldern von Laser und Plasma. Durch die starken Felder werden die Elektronen schnell sehr relativistisch. Dies kann zu einer reichhaltigen Physik führen, wie z. B. Instabilitäten (z. B. Rayleigh-Taylor (RT) wie Parametrische-, Weibel-, Buneman-, Resistive- und Ionisationsinstabilitäten), Schockbildung, Erwärmung einer vergrabenen Schicht durch innere ambipolare Expansion. Diese Effekte sind z. B. wichtig für das Verständnis fast aller grundlegenden Fragen der Laser-Festkörper-Plasmaphysik, wie Laserabsorption, Elektronen- und Ionenbeschleunigung (RPA, TNSA, BOA), Filamentierung von Elektronen- und Ionenstrahlen an der Folienoberfläche, in der Folie oder hinter der Folie und die Erzeugung von Harmonischen. Es gibt jedoch noch keine direkte experimentelle Beobachtung der genannten Prozesse (obwohl z. B. indirekte Beobachtungen der Lochbohrung durch Dopplerverschiebung des reflektierten Lichts vorliegen). Der Grund dafür ist, dass die Zeitskala der Physik ultrakurz ist, in der Größenordnung der Pulsdauer (wenige 10 Femtosekunden), der UHI-Laserperiode (typischerweise wenige Femtosekunden) oder der Plasmaperiode (unter 0,1 Femtosekunden). Gleichzeitig liegen die relevanten räumlichen Skalen in der Regel im Bereich von wenigen Mikrometern und darunter. Außerdem sind feste Folien nicht durchlässig für IR-, Sicht- oder UV-Licht. Die Entwicklung eines prädiktiven Verständnisses dieser Prozesse und ihrer Wechselwirkungen, weit entfernt vom Gleichgewicht, ist eine große Herausforderung der modernen Plasmaphysik, die bedeutende Fortschritte in der Theorie und der numerischen Simulation nichtgleichgewichtiger und nichtlinearer Prozesse erfordert. Gleichzeitig ist es von größter Bedeutung, wesentlich bessere experimentelle Daten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erhalten. Die Untersuchung des Festkörperplasmas mit XFELs eröffnet völlig neue Möglichkeiten, diese extremen Bedingungen direkt zu beobachten, und liefert grundlegend neue Daten für die Entwicklung verbesserter Modelle sowie für die Validierung oder Verfälschung bestehender theoretischer Behandlungen. Dies ist die Voraussetzung, um fortschrittliche Anwendungen wie schnelle Zündung von Kernfusion oder Ionenbeschleunigung auf > 100 AMeV Energien zu treiben. Zu den wichtigsten Beobachtungen gehören die lokale Elektronendichte, die Stromdichte, quasistatische Magnetfelder und der Ionisationszustand sowie die Wachstumsrate der verschiedenen Störungen und Instabilitäten.