W ogromnych temperaturach, przy dużym ciśnieniu materia - np. metale - nabierają ciekawych właściwości. Nie sposób mówić o nich, ani że są plazmą, ani że ciałem stałym. Ciepła gęsta materia (warm dense matter, WDM) - bo tak nazwano ten nietypowy stan materii - występuje między innymi we wnętrzach małych gwiazd, brązowych karłów oraz planet gazowych. I tak np. niektóre modele wskazują na to, że jądro Jowisza otula taka właśnie gorąca metaliczna materia - o temperaturze wielu tysięcy kelwinów.

Właściwości ciepłej plazmy o gęstości ciała stałego do niedawna były znane w niewielkim stopniu. Teraz, dzięki użyciu laserów rentgenowskich, fizycy zdobywają coraz więcej informacji o tym równie ważnym, co zagadkowym stanie materii.

Pierwsze kompleksowe obserwacje zachodzących w nim procesów jonizacji, wykonane za pomocą Europejskiego Lasera na Swobodnych Elektronach (European XFEL), właśnie zostały zaprezentowane na łamach prestiżowego Nature Physics. Badania opisali w przesłanym PAP komunikacie przedstawiciele Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.

Choć ciepła gęsta materia jest powszechna we Wszechświecie, ten stan laboratoryjnie jest bardzo trudny do wytworzenia i analizowania. Nowa era w badaniach eksperymentalnych nad tą tzw. ciepłą gęstą materią zaczęła się zaledwie kilkanaście lat temu, gdy fizycy uruchomili pierwsze lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach.

Czołowe miejsce wśród urządzeń tego typu zajmuje europejski laser European XFEL o długości niemal 3.5 km. Seria doświadczeń, zrealizowana ostatnio na jego stanowiskach eksperymentalnych, pozwoliła po raz pierwszy zaobserwować, jak szybko metal przechodzi w egzotyczny stan zjonizowanej materii WDM, by na końcu procesu stać się przezroczysty(nieabsorbujący) dla promieniowania rentgenowskiego.

Lasery na swobodnych elektronach (X-Ray Free-Electron Laser, XFEL) służą do generowania impulsów promieniowania rentgenowskiego o dużej intensywności i czasach trwania liczonych w pojedynczych femtosekundach, czyli milionowych częściach miliardowej części sekundy. Za pomocą takich impulsów można w unikatowy sposób badać strukturę materii i śledzić zjawiska zachodzące w ekstremalnie krótkich skalach czasowych. Jednym z takich urządzeń na świecie jest European XFEL w Hamburgu, wybudowany przy współpracy z ośrodkiem DESY.

„W trakcie naszych doświadczeń w European XFEL oświetlaliśmy próbki miedzi impulsami promieniowania rentgenowskiego o czasie trwania 15 femtosekund i różnych, stopniowo rosnących natężeniach” - przedstawia przebieg eksperymentów współautorka publikacji prof. dr hab. Beata Ziaja-Motyka (IFJ PAN, DESY).

Pierwszy autor omawianego artykułu, dr Laurent Mercadier z ośrodka European XFEL, uzupełnia ten opis o szczegóły fizyczne: „Gdy pojedynczy rentgenowski impuls laserowy docierał do materiału, powodował jego silną jonizację. Uwalniane w jej trakcie elektrony charakteryzowały się wysoką temperaturą. W tych ekstremalnych warunkach miedź przechodziła w stan ciepłej gęstej materii. My skrupulatnie rejestrowaliśmy, ile promieniowania przez tę materię przechodzi i na tej podstawie wnioskowaliśmy o zmianach jonizacji w obserwowanym układzie”.

Przy interpretowaniu wyników pomiarów szczególnie pomocne okazały się symulacje wykonane za pomocą programu BOLTZMANN SOLVER, rozwijanego od 2004 roku w DESY przez prof. Ziaję-Motykę. Narzędzie to zostało użyte do symulowania zmian w obsadzeniu poszczególnych poziomów energetycznych w materii WDM przez elektrony w zależności od natężenia padającego na nią promieniowania laserowego.

Konfrontacja danych eksperymentalnych z symulacjami pozwoliła ustalić, że gdy natężenie promieniowania rentgenowskiego staje się odpowiednio duże, atomy materii WDM stają się silnie zjonizowane. Wskutek tego zjawiska pojawiają się nowe stany energetyczne możliwe do obsadzenia przez wzbudzane elektrony. Stany te były już obserwowane wcześniej za pomocą laserów optycznych, których ograniczenia energetyczne nie pozwoliły jednak na ich dokładniejsze zbadanie. Teraz dzięki laserowi rentgenowskiemu European XFEL udało się je dokładnie scharakteryzować w zależności od natężenia impulsów z tego lasera. Zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi zaobserwowano ponadto, że ciepła gęsta materia w pewnym momencie stawała się przezroczysta dla impulsu laserowego.

„Pojawienie się 'przezroczystości' – czyli braku absorpcji – w materii WDM to konsekwencja wysokiego zjonizowana jej atomów, występującego od pewnych wartości natężeń impulsów laserowych” - wyjaśnia prof. Ziaja-Motyka.

Wiedza o właściwościach ciepłej gęstej materii i zachodzących w niej procesach ma znaczenie nie tylko astrofizyczne, ale także w inżynierii. Materia w tym stanie odgrywa bowiem ważną rolę w niektórych rodzajach kontrolowanej fuzji jądrowej (ICF – Inertial Confinement Fusion), pojawia się także w trakcie ablacji metalowych osłon termicznych statków kosmicznych powracających z orbity na Ziemię.

Zespół fizyków przy European XFEL zamierza kontynuować badania nad procesami elektronowymi i jonizacyjnymi zachodzącymi w materii WDM i ich dynamiką. Po stronie polskiej prace są współfinansowane przez Instytut Fizyki Jądrowej PAN

Cała informacja prasowa dostępna na stronie IFJ PAN. 

Nauka w Polsce

lt/ agt/