Pesquisadores elucidam transições ultrarrápidas de plasma sólido para superdenso induzidas por laser
Técnica de sondagem de disparo único e abordagem de modelagem para revelar a transição sólido-plasma induzida por laser ultrarrápida. Crédito:TranSpread A interação de sólidos com pulsos de laser ultracurtos de alta intensidade permitiu grandes avanços tecnológicos no último meio século. Por um lado, a ablação a laser de sólidos oferece microusinagem e miniaturização de elementos em dispositivos médicos ou de telecomunicações. Por outro lado, feixes de iões acelerados a partir de sólidos utilizando lasers intensos podem abrir caminho para novas oportunidades de tratamento do cancro com terapia de protões baseada em laser, investigação em energia de fusão e análise do património cultural.
No entanto, desafios ainda precisam ser superados para levar o desempenho da ablação a laser à escala nanométrica e para trazer a aceleração de íons acionada por laser para a indústria e uso médico.
Durante a interação de um pulso de laser ultracurto com um alvo sólido, este último evolui para um estado ionizado ou plasma durante um período de tempo extremamente curto (menos de um picossegundo [ps]), onde ocorrem múltiplos processos físicos complexos e acoplados, enquanto sua interação ainda não é totalmente compreendida.
Devido à evolução ultrarrápida do alvo, o estágio inicial da interação, ou seja, a formação do plasma, é dificilmente acessível em experimentos. Conseqüentemente, essa transição ultrarrápida de sólido para plasma, que estabelece as condições iniciais para processos subsequentes como ablação ou aceleração de partículas, tem sido até agora tratada por suposições aproximadas na maioria dos modelos numéricos que descrevem tal interação.
Em um novo artigo publicado em Light:Science &Applications , uma equipe internacional de cientistas, incluindo Yasmina Azamoum e Malte C. Kaluza do Helmholtz Institute Jena e da Friedrich-Schiller-Universität Jena, Alemanha, Stefan Skupin do Institut Lumière Matière, França, Guillaume Duchateau do Commissariat à l'énergie atomique (CEA-Cesta), França e coautores deram um passo significativo na elucidação da transição sólida para plasma induzida por laser ultrarrápida e no fornecimento de uma compreensão profunda da interação de processos fundamentais.
Eles apresentam uma técnica de ponta de sondagem totalmente óptica de disparo único que permite a visualização completa da dinâmica do alvo, desde um sólido frio passando pelo estágio de ionização até um plasma superdenso. Isto é conseguido através do uso de um pulso de sonda de laser com um espectro óptico de banda larga que ilumina a interação do pulso da bomba com uma folha de carbono semelhante a um diamante com espessura nanométrica. As diferentes cores do pulso da sonda chegam em diferentes momentos da interação devido a um sinal sonoro temporal.
Portanto, a evolução do estado alvo codificado na luz de sonda transmitida pode ser capturada com um único pulso de sonda. Essa técnica de sondagem única é vantajosa em comparação com os métodos convencionais de sonda-bomba, onde o processo sondado deve ser reproduzido de forma idêntica pela bomba para cada atraso da sonda. Isto é particularmente relevante quando se empregam sistemas de laser de alta potência, que muitas vezes sofrem de fortes flutuações de pulso a pulso.
Além disso, os cientistas demonstraram que, para a interpretação correta dos perfis de transmissão da sonda medidos, a descrição precisa da transição inicial do sólido para o plasma é crucial. Foi desenvolvido um modelo de interação em duas etapas, onde a primeira etapa leva em conta a dinâmica de ionização do alvo no estado sólido, e a segunda etapa considera o alvo no estado plasma.
É fornecida uma evolução detalhada do estado alvo com altas resoluções de tempo e espaço (sub-ps e nm, respectivamente), juntamente com uma visão sem precedentes da interação de processos fundamentais, como dinâmica de ionização, colisões de partículas e expansão hidrodinâmica do plasma.
Espera-se que os resultados desta nova técnica de sondagem e a sua interpretação contribuam para uma visão mais profunda das várias dinâmicas dos alvos e para uma melhor compreensão dos processos físicos subjacentes. Essas conquistas provavelmente ajudarão a ir além dos métodos tradicionais de processamento ultrarrápido de materiais a laser e a tornar as tecnologias de íons aceleradas por laser utilizáveis para aplicações sociais.
