Laser schießt Elektronen aus Atomen und zeigt erstmals jede Phase
Wie entstehen Plasmen? HZDR-Forschende filmen die Ionisation von Kupferatomen am European XFEL. Wichtige Daten für die zukünftige Laserfusion.
Im Experiment wurde die XFEL-Photonenenergie gezielt so eingestellt, dass sie einer bestimmten elektronischen Übergangsenergie in hochgeladenen Kupferionen entspricht, die mithilfe eines Hochleistungslasers (rot) erzeugt wurden. Unter diesen Bedingungen regt das Röntgenlicht (bläulich) Elektronen innerhalb der Ionen an, wodurch sich die Absorptions- und Emissionseigenschaften des Plasmas verstärken. Diese Veränderungen werden im Experiment direkt gemessen.
Foto: B. Schröder/HZDR
Wenn hochenergetische Laserblitze auf Materie prallen, geschieht das Unvermeidliche: Die Wucht des Lichts reißt Elektronen aus ihren stabilen Bahnen um den Atomkern. Zurück bleibt ein extrem heißes Gemisch aus geladenen Teilchen, ein Plasma. Was physikalisch logisch klingt, entzog sich bisher einer detaillierten Beobachtung – der Prozess ist schlicht zu schnell.
Forschenden des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) ist es nun gelungen, diesen Moment der Ionisation fast wie in einem Daumenkino festzuhalten. Schauplatz des Experiments war die HED-HiBEF-Experimentierstation am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg.
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Das Werkzeug: Zwei Laser im perfekten Timing
Um einen Prozess zu filmen, der sich im Bereich von Billionstelsekunden (Pikosekunden) abspielt, reicht Standard-Equipment nicht aus. Das Team kombinierte deshalb zwei Spitzen-Systeme: den Freie-Elektronen-Röntgenlaser des European XFEL und den optischen Hochintensitäts-Laser ReLaX.
„Genau diese Bedingungen bieten uns die beiden Laser mit Pulsdauern von nur 25 und 30 Femtosekunden – also billiardstel Sekunden“, erklärt Dr. Lingen Huang, der die Experimente am HZDR leitet. Diese extrem kurzen Pulse ermöglichen es, den Zustand der Materie zu verschiedenen Zeitpunkten exakt „einzufrieren“.
Ein Kupferdraht im Kreuzfeuer
Der Versuchsaufbau klingt filigran: Ein Kupferdraht, kaum ein Siebtel so dick wie ein menschliches Haar, dient als Zielscheibe. Dann folgt der Einschlag. Ein optischer Lichtblitz trifft das Kupfer mit einer Intensität von 250 Billionen Megawatt pro Quadratzentimeter. Zum Vergleich: Solche Energiedichten existieren sonst nur in der Nähe von Neutronensternen oder bei gigantischen Gammastrahlenausbrüchen im All.
Der Ablauf des Experiments folgt einem festen Protokoll:
- Verdampfen: Der erste Laserpuls (Pump-Puls) verwandelt den Draht sofort in ein Millionen Grad heißes Plasma.
- Analysieren: In winzigen Zeitabständen folgt ein zweiter Blitz (Probe-Puls) aus dem harten Röntgenspektrum.
- Detektieren: Ein Sensor zeichnet auf, wie die Röntgenstrahlung mit dem Plasma interagiert.
Die Jagd nach dem Cu22+-Ion
Die Forschenden konzentrierten sich bei ihrer Messung auf einen ganz speziellen Zustand. Sie stellten die Energie der Röntgenpulse auf genau 8,2 Kiloelektronenvolt ein. Dieser Wert ist kein Zufall. Er passt exakt zu Kupferatomen, denen bereits 22 Elektronen fehlen – sogenannte Cu22+-Ionen.
Das Plasma absorbiert die Energie bei dieser Frequenz besonders gut. Physiker nennen das resonante Absorption. Kurz darauf senden die Ionen eine charakteristische Strahlung aus. „In unserem Pump-Probe-Experiment messen wir genau die zeitliche Entwicklung dieser stimulierten Röntgenemission“, sagt Huang. „Denn sie zeigt uns, wie viele Cu22+-Ionen zu jedem Zeitpunkt im Plasma vorhanden sind.“
Die Kettenreaktion im Atomgitter
Die Ergebnisse offenbaren eine spannende Dynamik. Die Zahl der Cu22+-Ionen schießt nicht sofort in die Höhe. Sie erreicht ihr Maximum erst nach etwa 2,5 Pikosekunden. Danach sinkt der Wert wieder ab, weil die Ionen beginnen, freie Elektronen wieder einzufangen. Nach rund 10 Pikosekunden ist der Spuk vorbei und das System beruhigt sich.
Prof. Tom Cowan, ehemaliger Direktor am HZDR-Institut für Strahlenphysik, ordnet den Erfolg ein: „So genau hat noch niemand zuvor auf diese Art von Ionisation geschaut.“ Gemeinsam mit Huang lieferte er auch die Erklärung für die Verzögerung. Der Laserpuls wirkt nur als Auslöser. Er schlägt die ersten Elektronen heraus, die dann wie eine Welle durch das Material rasen. „Diese sind so energiereich, dass sie sich wie eine Welle ausbreiten und immer mehr Elektronen aus benachbarten Kupferatomen herausschlagen“, so Cowan. Erst wenn diese „Elektronenwelle“ an Kraft verliert, setzt die Rekombination ein.
Blaupause für den Fusionsreaktor
Warum betreibt man diesen immensen Aufwand? Die Antwort liegt in der Energieversorgung der Zukunft. Die Laserfusion arbeitet mit ganz ähnlichen Prinzipien: Extreme Hitze und hochenergetische Teilchenwellen. Bisher basierten viele Planungen auf theoretischen Modellen und groben Schätzungen.
Dr. Ulf Zastrau, verantwortlich für die Experimentierstation am European XFEL, sieht in den Ergebnissen einen klaren Fortschritt für die Technik: „Dieses Experiment zeigt die Leistungsfähigkeit unserer Laser und ebnet darüber hinaus den Weg für zukünftige Laserfusionsanlagen.“ Wer einen Fusionsreaktor bauen will, muss die Prozesse im Plasma bis ins letzte Detail verstehen. Die Daten aus Schenefeld liefern dafür nun die nötige Präzision, um Simulationen zu verfeinern und Reaktoren effizienter zu planen.
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