激光和 X 射线的组合在一根细如发丝的金属线内创造出类似恒星的条件

恒星和行星内部存在极端条件。压力达到数百万巴，温度可达数百万度。精密的方法使得在实验室中创造这种物质状态成为可能——尽管时间很短，体积也很小。

到目前为止，这需要世界上最强大的激光器，例如位于加利福尼亚州的国家点火装置 (NIF)。但这种轻量级激光器数量极少，因此实验机会也相对稀少。

亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心 (HZDR) 领导的研究小组与欧洲 XFEL 的同事合作，成功利用更小的激光器创造并观察极端条件。该小组在《自然通讯》杂志上报道，新技术的核心是一根比人的头发还细的铜线。

到目前为止，专家们一直在向材料样本(通常是薄箔)发射极高能量的激光闪光。这会导致表面材料突然升温。这会产生冲击波，冲击波会迅速穿过样本。它会压缩材料并使其升温。

在短短几纳秒内，会出现类似行星内部或恒星外壳的情况。这个短暂的时间窗口足以使用特殊测量技术研究这种现象，例如位于德国汉堡附近舍内费尔德的欧洲 XFEL 的超强 X 射线闪光。

在欧洲最强大的 X 射线激光器中，HZDR 领导着一个名为 HIBEF(亥姆霍兹极端场国际光束线)的国际用户联盟。除其他事项外，该联盟在高能量密度 (HED-HIBEF) 实验站运行激光器，该激光器产生能量不是特别高(只有约 1 焦耳)的超短脉冲。然而，在 30 飞秒时，它们非常短，以至于可以实现 100 太瓦的输出。研究小组使用 HED-HIBEF 的这种激光器照射一根厚度仅为 25 微米的细铜线。

“然后我们能够利用欧洲 XFEL 发出的强 X 射线闪光来观察导线内部发生的情况，”该论文的主要作者 Alejandro Laso Garcia 博士解释说。“这种短脉冲激光和 X 射线激光的组合在世界上是独一无二的。多亏了 X 射线束的高质量和灵敏度，我们才能够观察到意想不到的效果。”

集中冲击波

在一系列的测量中，科学家们系统地改变了激光闪光撞击和X射线穿透之间的时间间隔。这使得记录该事件的详细“X射线胶片”成为可能。

“首先，激光脉冲与导线相互作用，产生局部冲击波，像一样穿过导线，最终将其摧毁，”HIBEF 部门负责人 Toma Toncian 博士解释说。“但在此之前，激光击中时产生的一些高能电子会沿着导线表面飞驰。”

这些快速电子迅速加热导线表面并产生更多冲击波。然后这些冲击波依次从四面八方流向导线中心。在短暂的瞬间，所有冲击波在那里碰撞并产生极高的压力和温度。

测量结果表明，电线中间铜的密度比“正常”冷铜高出八到九倍。

“我们的计算机模拟表明，压力已达到 800 兆巴，”HZDR 辐射物理研究所所长兼 HIBEF 联盟发起人托马斯·考恩教授表示。“这相当于 8 亿倍大气压和 200 倍地球内部压力。”

按照地球标准，达到的温度也是极高的：100,000 摄氏度。

核聚变的前景

这些条件与白矮星日冕中的条件接近。

“我们的方法还可以用于实现类似巨大气态行星内部的条件，”拉索·加西亚强调道。这不仅包括木星等著名巨行星，还包括过去几年发现的大量遥远的系外行星。研究团队现在还将目光投向了由铁和塑料等其他材料制成的电线。

“塑料主要由氢和碳组成，”Toncian 说。“这两种元素都存在于恒星及其日冕中。”

这种新的测量方法不仅对天体物理学有用，而且对其他研究领域也有用。“我们的实验以令人印象深刻的方式展示了我们如何在各种材料中产生非常高的密度和温度，”欧洲 XFEL HED 小组负责人 Ulf Zastrau 说。“这将使核聚变研究向前迈出重要的一步。”目前，全球有多个研究团队和初创企业正在研究基于高性能激光器的核聚变发电厂。

其原理是：强激光从各个方向照射由冷冻氢制成的燃料舱并将其点燃，释放的能量大于输入的能量。

“通过我们的方法，我们可以详细观察胶囊被激光脉冲击中时内部发生的情况，”考恩在描述未来实验时说道。“我们预计这将对该领域的基础研究产生巨大影响。”

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