Теплое плотное вещество и лазерно-плазменное ускорение протонов до энергии более 43 МэВ

Российским исследователям удалось нагреть поверхность металла до трех миллионов градусов и при этом сохранить его плотность при прямом облучении мощным лазером. Это открывает новые возможности по исследованию материалов в экзотическом состоянии теплого плотного вещества, которое в естественных условиях встречается только в недрах планет. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

В последние годы наблюдается повышенный интерес ученых к изучению так называемого теплого плотного вещества (Warm Dense Matter, WDM) – экзотического состояния вещества, которое, с одной стороны, проявляет свойства плазмы, но с другой стороны, находится при столь высоком давлении, что электроны в нем являются квантово вырожденными, то есть близки по своим свойствам к электронам в твердых телах.

Положение теплого плотного вещества на диаграмме температура-плотность
© Los Alamos National Laboratory

В нашем ближайшем окружении теплое плотное вещество не встречается, однако именно в этом состоянии находится вещество в недрах планет. По этой причине знание законов, которые описывают его поведение, в частности, важно для планетологии, чтобы строить корректные модели возникновения планет.

Обычно в эксперименте состояние теплого плотного вещества достигается за счет относительно невысокого – до нескольких десятков и тысяч градусов Цельсия – нагрева твердотельных образцов. Однако осуществить такой нагрев сложно, поскольку при нагреве вещество стремится расшириться, и его плотность быстро падает. Поэтому нагрев осуществляют или под дополнительным давлением – например, в алмазных наковальнях – или достаточно быстро, чтобы вещество просто не успело разлететься.

Для быстрого нагрева вещества идеальным источником выглядят лазеры, излучающие ультракороткие импульсы длительностью всего в несколько десятков фемтосекунд (1 фемтосекунда = 10-15 секунды). Такие импульсы обычно имеют высокую пиковую мощность, поскольку вся энергия импульса сосредоточена на очень коротком временном интервале. Например, недавно китайским ученым удалось получить импульсы с рекордной мощностью в почти 5 петаватт (1 петаватт = 1015 ватт). Поскольку генерируемые такими машинами импульсы одновременно короткие и мощные, они могут быстро нагреть вещество до требуемых температур.

До сих пор, однако, осуществить прямой нагрев вещества подобными лазерными импульсами не удавалось. Причина тому – наличие у любого лазерного импульса предвестника или так называемого предымпульса. И хотя обычно его мощность в миллионы раз ниже, чем мощность самого импульса, но из-за значительно большей длительности он несет в себе достаточное количество энергии, чтобы разрушить поверхность мишени задолго до его прихода.

Проблема особенно усугубляется в случае сверхмощных импульсов, для которых предвестник может иметь мощность, сравнимую с мощностью промышленных лазеров, применяемых для резки металла.

Решить эту проблему смогли в Институте прикладной физики РАН, где был создан лазерный комплекс PEARL, принципы генерации излучения в котором отличны от традиционных. Обычно лазерное излучение создается в специальных лазерных средах, называемых активными. Их сначала «накачивают» энергией, возбуждая атомы, а затем пропускают через них импульс небольшой мощности. Проходя сквозь активную среду, импульс индуцирует излучение возбужденных атомов, которое складывается с первоначальным импульсом и многократно усиливает его. Принципиальной проблемой борьбы с предвестником в таких системах является явление спонтанной люминесценции – возбужденные атомы излучают даже в отсутствии внешнего импульса, и поэтому лазерная среда начинает «светить» еще до его прихода, создавая предымпульс.

Внешний вид установки PEARL
© А. Шайкин // ИПФ РАН

На установке PEARL для получения сверхмощных импульсов используется другой принцип – оптического параметрического усиления. В этом методе усиление короткого импульса происходит в нелинейно-оптическом кристалле в результате прямого взаимодействия с лазерным импульсом «накачки». Импульс накачки при этом значительно длиннее усиливаемого импульса, и потому обладает невысокой мощностью. Усиливаемый импульс «пробегает» по нему и собирает энергию, приобретая значительно более высокую мощность. В этом методе спонтанное излучение отсутствует, и предвестник получается значительно слабее.

В обсуждаемой работе ученые исследовали воздействие излучения лазера PEARL на алюминиевые фольги толщиной от 0,5 до 10 микрон. При этом наилучшие результаты наблюдались для фольг толщиной 0,8 микрон. Их облучали импульсами, энергия которых варьировалась от 2,5 до 8,5 Дж, а длительность составляла приблизительно 60 фемтосекунд. Таким образом, мощность импульсов достигала величины 140 тераватт. Фокусировка излучения в пятно радиусом в 2,9 микрон позволяла достичь интенсивности излучения на уровне 2,7 × 1020 Вт/см2.

Измерение параметров образующейся в фокусе излучения плазмы проводилось по ее рентгеновскому излучению. Проведенное сотрудниками московского Объединенного института высоких температур РАН, это измерение показало, что плотность плазмы соответствует плотности твердого тела, а ее температура составляет около 300 электрон-вольт, что приблизительно равняется трем миллионам градусов Цельсия.

Таким образом, в эксперименте был получен алюминий в состояния теплого плотного вещества с плотностью твердого тела. Дополнительными доказательствами являются результаты численного моделирования, а также наблюдавшаяся генерация в образовавшейся плазме протонов с энергией, как минимум, в 43,3 МэВ. Как показывает то же численное моделирование, такие высокие энергии у протонов возможны только в случае сохранения высокой плотости облучаемой плазмы.

Следы пучка высокоэнергетичных протонов, оставленные на стопке радиохромных пластинок, разделенных алюминиевыми прослойками толщиной 216 мкм каждая
© A. Soloviev et al. // Scientific Reports 7, 12144 (2017)

В дальнейшем планируется во-первых, провести аналогичные исследования для более высоких интенсивностей лазерного излучения, а во-вторых, измерить в повторных экспериментах другие свойства получающейся плазмы, которые позволили бы проверить некоторые теоретические модели, придуманные для описания теплого плотного вещества.

А. Коржиманов, старший научный сотрудник ИПФ РАН