Scharfer Blick in heißes Plasma: Wie Kupferatome ihre Elektronen verlieren

Wenn hochenergetische Laserblitze auf Materie treffen, stoßen sie Elektronen aus ihren Bahnen um die Atomkerne und erzeugen extrem heiße Plasmen aus Ionen und Elektronen. Diesen Prozess der Ionisation haben Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) nun mit bisher ungecannter Genauigkeit beobachtet. Ermöglicht wurde dies durch die Kombination zweier technischer Spitzenleistungen. Das sind der Freie-Elektronen-Röntgenlaser am European XFEL und der optischen Hochintensitäts-Laser ReLaX an der Experimentierstation HED-HiBEF in Schenefeld. Die dabei gewonnenen Ergebnisse erweitern das fundamentale Verständnis darüber, wie Hochenergielaser und Materie unter extremen Bedingungen miteinander interagieren.

Billiardstel Sekunden im Fokus: Einblicke in die Dynamik extremer Plasmen

Da eine Ionisation innerhalb weniger Billionstelsekunden extrem schnell verläuft, erfordert ihre detaillierte Beobachtung noch kürzere Laserblitze. „Genau diese Bedingungen bieten uns die beiden Laser mit Pulsdauern von nur 25 und 30 Femtosekunden – also billiardstel Sekunden“, erklärt Dr. Lingen Huang. Im Experiment trifft zunächst ein hochintensiver optischer Lichtblitz auf einen hauchdünnen Kupferdraht. Mit einer Intensität von rund 250 Billionen Megawatt pro Quadratzentimeter werden dabei Bedingungen simuliert, wie sie sonst nur in der Nähe von Neutronensternen oder bei Gammastrahlenausbrüchen vorkommen.

Der Draht verdampft schlagartig zu einem Millionen Grad heißen Plasma, wobei die Kupferatome mehrfach ionisiert werden. Diesem erzeugenden „Pump-Puls“ folgt in variablen Abständen ein extrem brillanter Röntgen-„Probe-Puls“ des European XFEL. Seine Interaktion mit dem Plasma wird von einem Detektor erfasst. Dieses Pump-Probe-Verfahren fungiert wie eine Hochgeschwindigkeitskamera, die zeitaufgelöste Momentaufnahmen liefert und es den Forschenden ermöglicht, die komplexe Plasmadynamik Schritt für Schritt zu verfolgen.

Die Energie der Röntgenpulse wurde präzise darauf abgestimmt, bevorzugt von Cu²²⁺-Ionen absorbiert zu werden – Kupferatomen, die bereits 22 ihrer Elektronen verloren haben. Mit einer Photonenenergie von 8,2 Kiloelektronenvolt trifft der Laser exakt einen spezifischen elektronischen Übergang dieser Ionen, ein Prozess, den die Physik als resonante Absorption bezeichnet. In der Folge emittieren die Kupferionen eine charakteristische Röntgenstrahlung. „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.“

Auf Laserpulse folgen heizende Elektronenwellen

Die Messergebnisse offenbaren eine präzise Zeitstruktur des Ionisationsprozesses: Sofort nach dem Lasereinschlag auf den Kupferdraht entstehen die ersten Cu²²⁺ -Ionen, deren Anzahl nach etwa zweieinhalb Pikosekunden ihr Maximum erreicht. Danach sinkt die Ionenkonzentration durch Rekombinationsprozesse wieder ab, bis nach rund zehn Pikosekunden keine dieser Ionen mehr nachweisbar sind. „So genau hat noch niemand zuvor auf diese Art von Ionisation geschaut“, sagt Prof. Tom Cowan. Mithilfe computergestützter Simulationen konnten die Forschenden den Mechanismus entschlüsseln: Der initiale Laserpuls fungiert als Trigger, der hochenergetische Elektronen freisetzt. „Diese sind so energiereich, dass sie sich wie eine Welle ausbreiten und immer mehr Elektronen aus benachbarten Kupferatomen herausschlagen“, erläutert Cowan. Sobald diese Elektronen an Energie verlieren, werden sie wieder von den Ionen eingefangen, bis schließlich wieder neutrale Kupferatome vorliegen.

Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die Zukunft der Energiegewinnung. „Dieses Experiment zeigt die Leistungsfähigkeit unserer Laser und ebnet darüber hinaus den Weg für zukünftige Laserfusionsanlagen“, resümiert Dr. Ulf Zastrau. Da die Laserfusion auf der Aufheizung extrem heißer Plasmen durch Laser und Elektronenwellen basiert, ermöglichen die neuen Daten eine entscheidende Verfeinerung der notwendigen Simulationen. Laut Zastrau sind diese Modelle essenziell, um einen Laserfusionsreaktor künftig präzise planen und steuern zu können.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (04/2026)