Forskare har lyckats följa hur kopparatomer förlorar och återfår elektroner när materialet utsätts för en extremt kraftfull laserpuls. Förloppet sker på bara några biljondelar av en sekund, men kan ge viktig kunskap för utvecklingen av framtida anläggningar för laserbaserad kärnfusion.
Experimentet genomfördes vid European XFEL utanför Hamburg av forskare från bland annat Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Genom att kombinera en kraftfull optisk laser med extremt korta röntgenpulser kunde forskarna följa hur en tunn koppartråd omvandlades till het och tät plasma.
Koppartråden förvandlades till plasma
I experimentet riktades en intensiv laserpuls mot en koppartråd med en diameter på omkring tio mikrometer – ungefär en sjundedel av tjockleken hos ett mänskligt hårstrå. Energin koncentrerades till en mycket liten yta under endast omkring 30 femtosekunder.
Koppartråden förångades nästan omedelbart och bildade plasma med en temperatur på flera miljoner grader. Vid sådana temperaturer slås elektroner bort från kopparatomerna, som därmed blir elektriskt laddade joner.
Den första laserpulsen fungerade som en pump som startade processen. Därefter skickades en andra puls med hård röntgenstrålning genom plasmat för att undersöka hur det förändrades över tid.
Följde kopparjoner med 22 saknade elektroner
Röntgenenergin ställdes in på 8,2 kiloelektronvolt. Den energin motsvarar en särskild elektronövergång i kopparjoner som har förlorat 22 av atomens 29 elektroner, så kallade Cu²²⁺-joner.
Genom att mäta hur plasmat absorberade och sände ut röntgenstrålning kunde forskarna följa mängden Cu²²⁺-joner vid olika tidpunkter. Den karakteristiska signalen blev synlig efter ungefär 0,5 pikosekunder och nådde sin högsta nivå efter cirka 2,5 pikosekunder.
Därefter började jonerna fånga in elektroner igen. Efter omkring tio pikosekunder kunde forskarna inte längre urskilja signalen från de aktuella kopparjonerna. En pikosekund motsvarar en biljondels sekund.
Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.
Simuleringarna visade sig vara känsliga
Forskarna jämförde mätningarna med flera typer av avancerade datormodeller. Simuleringarna omfattade bland annat partiklarnas rörelser, kollisioner mellan elektroner och joner samt plasmats hydrodynamiska utveckling.
Jämförelsen visade att modellerna var mycket känsliga för hur laserns form, intensitet och den så kallade förplasman beskrevs. Små förenklingar kunde påverka de beräknade temperaturerna och graden av jonisering.
De nya mätningarna ger därför ett konkret riktmärke som framtida simuleringar kan testas mot. Det kan förbättra forskarnas möjligheter att förutsäga hur materia reagerar under extrema förhållanden.
Viktigt för forskning om laserfusion
Vid laserbaserad fusion används kraftfulla laserpulser för att komprimera och värma ett bränsle tills atomkärnor kan slås samman. För att kunna konstruera en fungerande anläggning behöver forskarna förstå hur energi transporteras genom plasmat och hur snabbt materialet värms upp och joniseras.
Experimentet skapade inte någon fusion och innebär inte att en kommersiell fusionsreaktor är nära. Däremot visar det hur extrem plasma kan undersökas med betydligt bättre tidsupplösning än tidigare.
Metoden kan på sikt användas för att förbättra de modeller som ligger till grund för framtida fusionsanläggningar. Den kan också bidra till annan forskning inom fysik, exempelvis om extrem materia, laserdrivna partikelacceleratorer och processer som annars främst förekommer i stjärnor och andra extrema miljöer i universum.
Publikationsuppgifter
M. Z. Mo m.fl., Undersökning av atomdynamiken vid ultrasnabb smältning med hjälp av femtosekund-elektrondiffraktion, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75970-1