观测高温稠密等离子体非线性电离动力学

来自University of Jena的一个研究小组利用飞秒相干紫外光和新的四维模型，观测到高度电离氪等离子体的形成以及相互作用。这项研究会使人们对宇宙的物理形成有深入的了解。等离子体在实验室环境中相对容易生成，尽管深入研究它几乎是不可能的；这是因为能够捕获电离状态和密度的方法极其有限。对电离物质的研究对于理解宇宙形成中起到至关重要的作用，因为85%的可观测物质由暗物质组成。

研究人员利用激光等离子体放大器，将8倍电离的氪离子作为激光介质，向等离子体发射了一个相干的极紫外线光（EUV）探针脉冲。脉冲在向由激光生成的等离子体传播时提取等离子体的特征信息。研究人员将脉冲照射到经过充分表征的纳米靶上产生衍射来分析脉冲。这种方法称为相干衍射成像，允许其测量带有高分辨率等离子体信息的探针脉冲。这项工作的本质是 EUV 脉冲。具体来说，只要它足够短，就会使等离子体变得透明，以探测在装置中形成的等离子体。

加州大学伯克利分校的教授Michael Zuerch说，研究人员在研究波导几何过程中意外发现了一个重要的空间调制模式。研究人员利用一个修正过的第一性原理算法，对多个尺度的四维等离子与光相互作用进行建模，他们发现计算结果与实验数据一致。Zuerch 说：“这使我们能够将观测到的信号归结为激光与等离子体相互作用时的非线性行为，激光与等离子体相互作用产生了高度电离的氪等离子体。”

这个方法可以很容易地应用于其它相关的场景，并且可以用于验证模拟激光与等离子体相互作用和更普遍意义上形成高度电离等离子体的更先进第一性原理模型。结果表明，任意电离的等离子体不能通过光学技术产生。University of Jena的教授Christian Spielmann表示：“经过开发的模型将允许准确预测可实现的条件，并且有希望创造一些非常明确的等离子条件，这可以通过适当的激光束塑形得以实现。”Zuerch 说："除了对激光与等离子体相互作用有了更深刻的理解之外，我们的发现还对基于等离子体的 X 射线光源的升级或基于等离子体的核聚变实验有很大的影响。

这项研究成果发表在《Light: Science & Applications》上。www.doi.org/10.1038/s41377-020-00424-2).

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