Het laatste decennium werd gekenmerkt door een reeks opmerkelijke ontdekkingen die bepalen hoe het universum is samengesteld. Het is duidelijk dat de mysterieuze substantie donkere materie 85% van de materie in het universum uitmaakt. Waarneembare materie in het heelal bestaat uit geïoniseerde deeltjes. Dus, een diepgaand begrip van geïoniseerde materie en de interactie met licht, zou kunnen leiden tot een dieper begrip van de relaties in het spel die het universum vormden. Terwijl geïoniseerde materie, of plasma, is relatief eenvoudig te genereren in het laboratorium, het bestuderen ervan is buitengewoon uitdagend, omdat methoden die ionisatietoestanden en dichtheid kunnen vastleggen, vrijwel niet bestaan.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van wetenschappers is erin geslaagd om de vorming en interactie van sterk geïoniseerd kryptonplasma direct te observeren met behulp van femtoseconde coherent ultraviolet licht en een nieuw vierdimensionaal model.

Achtvoudig geïoniseerde krypton-ionen als lasermedium

In hun werk, de onderzoekers gebruiken een laser-plasmaversterker, dat achtvoudige geïoniseerde krypton-ionen als lasermedium gebruikt. Vervolgens lanceren ze een coherente extreem-ultraviolette sondepuls in dit plasma die de kenmerken van de plasmacondities oppikt terwijl het zich voortplant door de laser-gegenereerde plasmakolom. Deze extreem ultraviolette sondepuls wordt vervolgens geanalyseerd door deze te buigen van een goed gekarakteriseerd doelwit op nanoschaal. Deze methode, bekend als coherente diffractiebeeldvorming, maakt het mogelijk om de eigenschappen van de sondepuls te meten die informatie over het plasma met een zeer hoge resolutie bevat. "Het gebruik van een extreem ultraviolette sondepuls met een golflengte die kort genoeg is zodat het plasma transparant wordt om het gevormde plasma te ondervragen, is de sleutel, " legt Prof. Dr. Michael Zuerch van de University of California in Berkeley uit.

Onverwachte ontdekking

"Verrassend genoeg, we vonden een niet-triviaal ruimtelijk modulatiepatroon dat onverwacht is in een golfgeleidergeometrie. Met behulp van een aangepaste ab initio-theorie die de plasma-licht-interactie in vier dimensies over meerdere schalen modelleert, kunnen we uitstekende overeenstemming vinden met onze experimentele gegevens. Dit heeft ons in staat gesteld om het waargenomen signaal toe te schrijven aan een sterk niet-lineair gedrag in laser-plasma-interactie die het sterk geïoniseerde kryptonplasma genereert, ’ legt Zuerch uit.

De experimentele benadering, die gemakkelijk kunnen worden overgenomen in andere relevante scenario's, valideert de geavanceerde ab initio-modellen die worden gebruikt om de laser-plasma-interactie en meer in het algemeen de vorming van sterk geïoniseerd plasma te simuleren. Een belangrijke vertakking van de bevindingen laat zien dat je met optische technieken geen willekeurig geïoniseerde plasma's kunt maken.

"Het ontwikkelde model zal het mogelijk maken om haalbare omstandigheden nauwkeurig te voorspellen en geeft hoop dat zeer gedefinieerde plasmaomstandigheden kunnen worden gecreëerd door geschikte laserstraalvorming, " zegt Prof. Dr. Christian Spielmann van de Universiteit van Jena. Zuerch vatte de vooruitzichten van het werk samen:"Voorbij een dieper begrip van laser-plasma-interacties, onze bevindingen hebben impact, bijvoorbeeld, op de opschaling van op plasma gebaseerde röntgenlichtbronnen of op plasma gebaseerde fusie-experimenten."