Наночастица помогла лазеру быстрее разогнать ионы газа

Чешские физики экспериментально исследовали, что происходит при облучении мощным лазерным импульсом наночастиц, погруженных в атмосферу гелия. Они выяснили, что присутствие наночастицы привносит новый механизм в разгон ионов газа за счет возникновения на ней временных положительных зарядов. Исследование опубликовано в Physical Review A.

Создание мощных лазеров стимулировало прогресс в широком диапазоне дисциплин, начиная от теоретической физики и заканчивая прикладными задачами. В последнем случае интенсивный свет зарекомендовал себя как перспективный инструмент для разгона заряженных частиц. Одним из механизмов, используемых для этого, стал кулоновский взрыв наночастиц. Для его возникновения частицы облучаются коротким импульсом большой энергии. Это приводит к единовременной ионизации содержащихся в ней атомов и их последующий разлет за счет сил кулоновского отталкивания.

При этом в большинстве исследований обычно игнорируется влияние окружения, обычно газа, в котором находится наночастица. Однако, как показывают фотоэлектронные спектры высокого разрешения, в пучках разогнанных ионов может присутствовать значительное число атомов этого газа. Имеет место и обратное влияние: присутствие наночастицы способно повлиять на процессы ионизации атомов окружения и образования плазмы. Поэтому для оптимизации процессов лазерного ускорения эти вопросы должны быть дополнительно изучены.

Группа физиков из Академии наук Чехии под руководством Марии Крикуновой (Maria Krikunova) исследовала процессы, которые происходят при облучении одиночной наночастицы хлорида цезия, помещенной в атмосферу гелия, мощным фемтосекундным импульсом. Авторы фиксировали все ионные продукты, образовавшиеся в результате облучения, однако особое внимание они уделили ионам гелия. Им удалось разобраться в том, как именно присутствие наночастицы влияет на их разгон.

Физики использовали для этого излучение, генерируемое установкой ELI-Beamlines. Это были импульсы длительностью 120 фемтосекунд, длиной волны 800 нанометров и пиковой интенсивностью 2×10¹⁵ ватт на квадратный сантиметр, которые фокусировались в пятно диаметром 25 микрометров в камеру, заполненную смесью гелиевого газа с концетрацией 5×10¹⁵ частиц на кубический сантиметр с наночастицами хлорида цезия. Для формирования наночастиц экспериментаторы создавали аэрозоль из 0,5-процентного раствора этой соли в воде с последующим испарением жидкости. В результате образовывались солевые частицы диаметром 200 нанометров, покрытые тонкой водяной пленкой. По этой причине помимо ионов гелия, цезия и хлора, разогнанных дополнительными планарными электродами, во времяпролетный масс-спектрометр попадали также протоны.

Физики строили сигналы с масс-спектрометра от времени для каждого лазерного залпа. Исходя из представления о том, как частицы добираются до детектора, это позволяло им восстанавливать кинетические энергии всех ионов и электронов. Из-за броуновского движения наночастиц, они лишь в четверти случаев оказывались в фокусе луча. В случае попадания импульса по частице, кинематика разлетающихся частиц также разнилась от залпа к залпу, однако авторы следили за корреляциями между энергиями отдельных ионов. Так, например, ионы цезия, хлора и водорода появлялись только в случае попадания, а их энергии хорошо коррелировали между собой.

Ионы же гелия вели себя по-другому. Медленная их часть (пик на 250 электронвольт) присутствовала во всех возможных залпах. Физики связывали их рождение с образованием разреженной плазмы в гелиевом газе и ее кулоновским взрывом. Оценки, сделанные ими ранее, предсказывали для этого процесса диапазон энергий 200-400 электронвольт, что оказалось в согласии с экспериментом.

Быстрая часть ионов гелия (пик на 1000 электронвольт) возникала только при попадании лазера по наночастице, однако их энергия не коррелировала с энергиями других ионов. Это говорило об ином механизме их разгона. Ученые предположили, что ионы гелия могут ускоряться полем, появляющимся на поверхности наночастицы. Действительно, мощный лазерный свет вызывает повсеместную ионизацию внутри частицы с образованием квазинейтральной плазмы. Это происходит на фемтосекундном масштабе. За это время лишь внешние электроны успевают покинуть наночастицу, которая приобретает поверхностный положительный заряд. Этот заряд и разгоняет ионы гелия до тех пор, пока частицу не разорвет кулоновским взрывом. Физики построили простую модель, которая описывает этот процесс, и рассчитали с ее помощью спектры ионов гелия. Эти спектры включали в себя область энергий порядка килоэлектронвольта, что качественно объясняет результаты эксперимента.

Физика разгона ионов путем облучения мишени мощным лазерным импульсом может быть довольно сложной. Ранее мы писали про то, как на это влияет форма импульса и толщина мишени.

Марат Хамадеев