p As instabilidades cinéticas comumente surgem de distribuições anisotrópicas (propriedades diferentes em diferentes direções) da velocidade dos elétrons dentro da ionosférica, plasmas cósmicos e terrestres. Mas apenas alguns experimentos validaram essa teoria até agora. Pulsos de laser ultrarrápidos podem ser usados ​​durante a ionização de campo óptico de átomos para gerar plasmas com distribuições de velocidade de elétrons anisotrópicas conhecidas para entender o fenômeno na prática. Em um estudo recente, Chaojie Zhang e uma equipe de pesquisa interdisciplinar nos departamentos de Engenharia Elétrica e de Computação, e Física e Astronomia nos EUA, mostraram que o plasma sofreu filamentação de dois fluxos após ionização - mas antes da termização baseada em colisão dos elétrons constituintes. p Eles observaram instabilidades de Weibel (presentes em plasma homogêneo ou quase homogêneo) que isotropizou (propriedades semelhantes em todas as direções) as distribuições de elétrons. Os pesquisadores mediram a frequência dependente da polarização e as taxas de crescimento dessas instabilidades cinéticas usando o espalhamento Thomson (TS) de uma sonda de laser, que concordou bem com a teoria cinética e simulações. A equipe de pesquisa demonstrou uma plataforma de laboratório facilmente implantável para estudar instabilidades cinéticas dentro do plasma; os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência .

p Plasmas são suscetíveis a instabilidades cinéticas quando a distribuição da velocidade de seus elétrons constituintes do plasma, íons ou ambos tornam-se não térmicos. Os físicos podem validar experimentalmente a teoria dessas instabilidades se tiverem conhecimento direto das funções de distribuição de velocidade inicial de tais espécies de plasma. Com o advento do pulso ultracurto intenso, lasers infravermelhos, pesquisadores ionizaram átomos e / moléculas de um gás em alguns ciclos de laser para gerar funções anisotrópicas ou não-térmicas de distribuição de velocidade de elétrons (EVD). O processo é conhecido como induzido por campo óptico ou ionização em túnel (OFI). A capacidade de iniciar funções de distribuição de velocidade permitirá aos pesquisadores testar quantitativamente a teoria cinética dos plasmas em escalas de tempo ultrarrápidas, antes de colisões elétron-elétron (e-e) e termalização de íons. Contudo, os mecanismos e a escala de tempo em que os elétrons do plasma evoluíram de um estado anisotrópico para um estado térmico permanecem um problema experimental não resolvido na ciência básica.

p Como resultado da gama extremamente ampla de situações que dá origem a instabilidades cinéticas, incluindo flashes de raios gama, plasmas de pósitrons de elétrons, Campos magnéticos, síncrotrons de prótons, coroa solar e meios interplanetários. Existe um volumoso corpo de trabalho teórico sobre a teoria cinética dos plasmas. Nesse trabalho, a equipe de pesquisa primeiro descreveu brevemente três das instabilidades cinéticas mais frequentemente estudadas habilitadas pelo plasma OFI para estudo quantitativo em laboratório. Por exemplo, quando os elétrons do plasma são compostos de dois ou mais fluxos (feixes) de co ou contra-propagação, eles podem se tornar instáveis. Embora exista uma grande quantidade de trabalho teórico sobre instabilidades cinéticas em plasmas, eles ainda precisam ser verificados no laboratório. As equipes de pesquisa já haviam estudado essas instabilidades passando feixes de elétrons relativísticos através de plasmas ou criando dois plasmas interpenetrantes.

p Nesse trabalho, Zhang et al. mostraram que um plasma de hélio OFI (ionização induzida por campo óptico) ultra-rápido com uma distribuição de velocidade de elétrons anisotrópica dependente de polarização conhecida (EVD) era suscetível a streaming cinético, filamentação e instabilidades de filamentação do tipo Weibel. Eles mediram as taxas de crescimento e frequências dessas instabilidades usando o espalhamento Thomson resolvido no tempo. Eles compararam as medições com simulações de computador de partículas na célula (PIC) autoconsistentes (exatas) e com a teoria posterior, e observou boa concordância.

p Nos experimentos e simulações, a equipe inicializou funções anisotrópicas de EVD (distribuição de velocidade do elétron) ionizando o primeiro e o segundo elétron de hélio (He) usando pulsos de laser Ti-Sapphire polarizados circularmente (CP) ou linearmente polarizados (LP). Eles monitoraram o potencial de ionização do elétron como a intensidade do laser necessária para ionizar mais de 90 por cento dos átomos de He por meio de um mecanismo de tunelamento desenvolvido em outro lugar. Durante os experimentos, a função EVD do segundo elétron He era "mais quente" do que o primeiro elétron He. Zhang et al. obtiveram os resultados após a passagem de pulsos lineares de uma simulação 3-D de partículas na célula (PIC), que eles construíram usando o código OSIRIS. A distribuição do momento do elétron assemelhava-se a uma forma de "rosca dupla" para lasers polarizados circularmente (CP) e uma distribuição de duas temperaturas na direção dos lasers polarizados linearmente (LP). Eles confirmaram que os plasmas produzidos desta forma têm funções EVD. Os valores medidos pela equipe de pesquisa concordaram perfeitamente com os valores esperados da simulação PIC.

p A equipe de pesquisa então usou simulações 2-D de fluxo cinético disparado por ionização de campo óptico (OFI) e instabilidades de filamentação em um plasma He. De acordo, a instabilidade de streaming e filamentação começou a crescer imediatamente após a criação do plasma. Eles observaram a instabilidade do fluxo para eventualmente saturar e amortecer muito rapidamente e Zhang et al. portanto, da mesma forma esperava que a instabilidade da filamentação tivesse um comportamento temporal comparável. Em fases posteriores, A instabilidade de filamentação do tipo Weibel impulsionada por uma anisotropia de temperatura reduzida, mas finita, dos elétrons começou a dominar no plasma.

p Para obter mais informações sobre instabilidade cinética, Zhang et al. sondou um vetor de onda. Por esta, eles usaram um laser de 400 nm ou um laser de 800 nm com largura de banda de 5 nm e largura de pulso de 100 femtossegundos (fs) e componentes eletrostáticos sondados de instabilidades de plasma. Eles mediram os espectros e observaram duas características notáveis. Inicialmente, a característica do elétron cresceu e saturou para amortecer em um período de tempo muito mais curto do que o tempo para a colisão elétron-elétron. Próximo, o deslocamento espectral da feição do elétron mostrou um comportamento anômalo da onda de Langmuir usual (oscilações eletrostáticas do plasma). A frequência de pico da característica do elétron e a existência da característica da frequência zero foram evidências essenciais para Zhang et al. para corroborar streaming e instabilidades filamentosas na configuração. A equipe de pesquisa investigou mais streaming, filamentação e instabilidades de Weibel induzidas por lasers de polarização circular extensivamente dentro do sistema experimental.

p Os cientistas também acompanharam a evolução das distribuições de velocidade dos elétrons e da anisotropia de temperatura da ionização do campo óptico em uma simulação 2-D. Eles modelaram consistentemente a ionização e a evolução do plasma na simulação, excluindo as colisões de Coulomb para isolar o efeito das instabilidades na anisotropia de temperatura. Eles observaram instabilidades cinéticas nos experimentos, devido ao qual a anisotropia do plasma diminuiu rapidamente.

p Como a instabilidade de Weibel saturou na simulação, os campos magnéticos se auto-organizam em uma estrutura quase helicoidal, conforme previsto em outro lugar. Usando outras simulações, Zhang et al. confirmaram que as colisões de elétrons não desempenharam um papel significativo durante os primeiros 10 picossegundos após a formação do plasma. Durante este tempo, as instabilidades cinéticas dominaram a isotropização do plasma, Contudo, eventualmente, as colisões irão termalizar o plasma.

p A equipe de pesquisa também investigou as instabilidades cinéticas induzidas por lasers de polarização linear, que mostrou resultados contrastantes com os lasers polarizados circularmente. Neste caso, a instabilidade foi impulsionada por elétrons refletidos, que se propagou através de elétrons mais lentos. O espectro de frequência do modo era mais estreito do que com lasers CP. O processo experimental também demorou mais para a instabilidade do streaming aumentar e saturar. Zhang et al. observou uma concordância notável entre as medições e simulação.

p Desta maneira, Chaojie Zhang e colegas mostraram a possibilidade de gerar EVDs "designer" usando uma combinação de condições, incluindo polarizações diferentes, comprimentos de onda, perfis de intensidade e meios ionizantes. A equipe controlou a velocidade de deriva e as temperaturas transversais dos fluxos, alterando a elipticidade de polarização para suprimir o fluxo ou instabilidades de filamentação. Os pesquisadores mostraram que os plasmas OFI ultrarrápidos eram não térmicos com uma anisotropia de alta velocidade. Os plasmas passaram por streaming e instabilidades filamentosas, seguido por instabilidade de filamentação tipo Weibel para isotropizar o plasma. Quando eles mediram a frequência dependente da polarização e a taxa de crescimento dessas instabilidades cinéticas, os resultados concordam bem com a teoria cinética e simulações. A equipe de pesquisa, portanto, desenvolveu e demonstrou uma plataforma facilmente implantável para estudar instabilidades cinéticas de plasma no laboratório. p © 2019 Science X Network