Terwijl intense magnetische velden van nature worden gegenereerd door neutronensterren, onderzoekers streven al jaren naar vergelijkbare resultaten. Tao Wang, student werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek aan de UC San Diego, heeft onlangs gedemonstreerd hoe een extreem sterk magnetisch veld, vergelijkbaar met die op het oppervlak van een neutronenster, kan niet alleen worden gegenereerd, maar ook worden gedetecteerd met behulp van een röntgenlaser in een vast materiaal.

Wang voerde zijn onderzoek uit met behulp van simulaties uitgevoerd op de Comet-supercomputer in het San Diego Supercomputer Center (SDSC) en Stampede en Stampede2 in het Texas Advanced Computing Center (TACC). Alle bronnen maken deel uit van een National Science Foundation-programma genaamd de Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).

"Wang's bevindingen waren van cruciaal belang voor het algemene doel van onze recent gepubliceerde studie om een ​​fundamenteel begrip te ontwikkelen van hoe meerdere laserstralen van extreme intensiteit interageren met materie, " zei Alex Arefiev, een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Wang, Arefiev, en hun collega's gebruikten meerdere grote driedimensionale simulaties, visualisatie op afstand, en gegevensverwerking om hun studie af te ronden, die liet zien hoe een intense laserpuls zich in het dichte materiaal kan voortplanten vanwege zijn relativistische intensiteit.

Met andere woorden, als de snelheid van de elektronen de lichtsnelheid nadert, hun massa wordt zo zwaar dat het doelwit transparant wordt. Door de transparantie, de laserpuls duwt de elektronen om een ​​sterk magnetisch veld te vormen. Deze sterkte is vergelijkbaar met die op het oppervlak van een neutronenster, die minstens 100 miljoen keer sterker is dan het aardmagnetisch veld, en ongeveer duizend keer sterker dan het veld van supergeleidende magneten.

De bevindingen werden gepubliceerd in een Fysica van Plasma tijdschriftartikel getiteld "Gestructureerde doelen voor detectie van magnetische velden op Megatesla-niveau door Faraday-rotatie van XFEL-stralen."

"Nu we deze studie hebben afgerond, we werken aan manieren om dit type magnetisch veld te detecteren in een unieke faciliteit genaamd de European X-Ray Free Electron Laser (XFEL), die een 3,4 kilometer lange versneller omvat die extreem intense röntgenflitsen genereert die door onderzoekers zoals ons team kunnen worden gebruikt, ’ legde Arefiev uit.

Gelegen in Schenefeld, Duitsland, de Europese XFEL is de werkplaats van Toma Toncian, waar hij leiding geeft aan de projectgroep constructie en inbedrijfstelling van de Helmholtz International Beamline for Extreme Fields bij het High Energy Density instrument. Hij is ook co-auteur van de recent gepubliceerde studie.

"De zeer vruchtbare samenwerking tussen UC San Diego en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf effent de weg naar toekomstige experimenten met grote impact, "zei Toncian. "Terwijl we tegenwoordig van constructie naar inbedrijfstelling en eerste experimenten gaan, de theoretische voorspellingen van Tao Wang komen op het juiste moment en laten ons zien hoe we de mogelijkheden van ons instrument verder kunnen ontwikkelen en benutten."

Volgens Mingsheng Wei, een senior wetenschapper aan het University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics en co-auteur van het papier, "Het innovatieve microkanaal-doelontwerp dat in het simulatiewerk werd onderzocht, kon worden gedemonstreerd met behulp van het nieuwe polymeerschuimmateriaal met lage dichtheid dat slechts een paar keer zwaarder is dan de droge lucht in microgestructureerde buizen."

"Omdat de resulterende datasets van onze experimenten met XFEL erg groot zijn, ons onderzoek zou niet mogelijk zijn geweest op een gewone desktop - we hadden dit onderzoek niet kunnen voltooien zonder het gebruik van XSEDE-supercomputers, " zei Arefiev. "We zijn ook het Air Force Office of Scientific Research erg dankbaar voor het mogelijk maken van dit project."

Arefiev zei dat de inspanningen van hun groep voor het gebruik van supercomputers afhankelijk waren van de begeleiding van Amit Chourasia, SDSC's senior visualisatiewetenschapper, die hielpen bij het opzetten van externe parallelle visualisatietools voor de onderzoekers.

"Het is fantastisch om samen te werken met onderzoeksgroepen en hen uit te rusten met krachtige methoden, gereedschap, en een uitvoeringsplan dat op zijn beurt hun onderzoek in een versneld tempo voortstuwt met behulp van HPC en visualisatie, we zijn dankbaar om een ​​rol te spelen bij het mogelijk maken van nieuwe ontdekkingen, ' zei Chourasia.