Die Energiedichte im Zentrum eines Sterns ist größer als wir uns vorstellen können: Der Druck beträgt viele Milliarden Bar, verglichen mit dem Atmosphärendruck von einem Bar, unter dem wir hier auf der Erdoberfläche leben.
Diese extremen Bedingungen können im Labor nur durch Fusionsexperimente mit den weltweit stärksten Lasern nachgebildet werden, die die Größe von Stadien haben. Jetzt haben Wissenschaftler ein Experiment an der Colorado State University durchgeführt, das eine neue Möglichkeit zur Nachbildung solch extremer Bedingungen mit viel kleineren, kompakten Lasern bietet, die ultrakurze Laserimpulse nutzen, um eine Anordnung aus Nanodrähten zu bestrahlen.
Die Experimente, geleitet von dem Professor mit Lehrstuhl Jorge Rocca vom Department of Electrical and Computer Engineering and Physics der Colorado State University, maßen exakt, wie tief diese extremen Energien in die Nanostrukturen eindrangen. Diese Messungen wurden gemacht, indem die von dem Nanodrahtanordnung emittierten, charakteristischen Röntgenstrahlen registriert wurden, wo sich die Materialzusammensetzung mit der Tiefe verändert.
Numerische Modelle, die von den Experimenten bestätigt wurden, sagen voraus, dass erhöhte Strahlungsintensitäten bis zu den höchstmöglichen Stärken heutiger ultraschneller Laser Druckverhältnisse erzeugen könnten, die jene im Zentrum unserer Sonne übertreffen.
Hochenergie/dichte-Physik
Die Ergebnisse, veröffentlicht am 11. Januar 2017 online in Science Advances, eröffnen eine Möglichkeit, um mit kompakten Lasern beispiellose Druckverhältnisse im Labor zu erschaffen. Die Arbeit könnte neue Einblicke in die Hochenergie und -dichte-Physik geben, beispielsweise wie hochgeladene Atome sich in dichten Plasmen verhalten und wie Licht sich unter ultrahohem Druck, Temperaturen und Dichten verhält.
Die Erschaffung von Materie unter ultrahohen Energiedichten könnte die Untersuchung der laserinduzierten Fusion inspirieren und zum besseren Verständnis der atomaren Prozesse in astrophysikalischen und extremen Laborumgebungen führen. Bei der laserinduzierten Fusion werden Laser verwendet, um kontrollierte Fusionsreaktionen anzutreiben.
Die Fähigkeit, mit kleineren Einrichtungen Materie bei ultrahoher Energiedichte zu erschaffen, ist deshalb von großem Interesse, um diese extremen Plasmaumgebungen für Grundlagenforschung und Anwendungen zugänglich zu machen. Eine solche Anwendung wäre die effiziente Umwandlung von optischem Laserlicht in helle Röntgenblitze.
Bemühungen mehrerer Einrichtungen
Die Arbeit war ein Ansatz von mehreren Einrichtungen unter Leitung der Colorado State University mit Beteiligung der Doktoranden Clayton Bargsten, Reed Hollinger, Alex Rockwood und des Studenten David Keiss, die alle mit Rocca zusammenarbeiteten. An der Studie wirkten außerdem Vyacheslav Shlyapsev (Modellierung) und Yong Wang sowie Shoujun Wangall mit, alle von der gleichen Gruppe.
Zu den Co-Autoren gehörten Maria Gabriela Capeluto von der University of Buenos Aires, sowie Richard London, Riccardo Tommasini und Jaebum Park vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Die numerischen Simulationen wurden von Vural Kaymak und Alexander Pukhov von der Heinrich-Heine Universität in Düsseldorf durchgeführt, wobei sie auf Daten von Michael Busquet und Marcel Klapisch (Artep, Inc.) zurückgriffen.
Die Forschungsarbeit wurde vom High Energy Density Laboratory Plasmas Program in Fusion Energy Sciences des Office of Science (U.S Energieministerium) unterstützt. Fördermittel der Defense Threat Reduction Agency kamen ihr ebenfalls zugute. Die Arbeit der Forscher vom LLNL wurde unter der Schirmherrschaft des U.S-Energieministeriums durchgeführt.
(THK)
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