Проволоку сжали до экстремальных давлений с помощью лазера

Немецкие физики сжали тонкую проволоку до экстремальных давлений порядка 800 мегаатмосфер при помощи короткоимпульсного лазера джоулевского класса. Эта работа поможет исследовать состояния вещества во внутренних слоях планет-гигантов или белых карликов. Статья об этом исследовании опубликована в журнале Nature Communications.

Чтобы лучше понимать процессы, происходящие внутри планет-гигантов или небольших звезд, физики ищут способы экспериментального изучения состояния вещества в экстремальных условиях. Обычно для этих целей используют наносекундные лазеры с многокилоджоульной энергией. Однако такие эксперименты ограничены низкой частотой повторений и требуют сложных многолучевых установок. Новой платформой для изучения вещества в экстремальных условиях может стать мощнейший рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL), который запустили в 2017 году, в комбинации с мощным оптическим лазером.

Именно такую методику использовала группа ученых под руководством Хуана Линьэня (Lingen Huang) и Тома Тончиана (Toma Toncian) из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф в своей новой работе. Ученые смогли создать цилиндрическую ударную волну в тонкой проволоке при помощи однолучевого лазера, при этом давление внутри образца достигло порядка 800 мегаатмосфер. Для этого исследователи использовали оптический лазер ReLaX класса Джоуль мощностью 100 тераватт для облучения медных проволок толщиной 25 микрон, создавая цилиндрическую ударную волну, которая двигалась к оси проволоки. С помощью фазоконтрастной визуализации с рентгеновским излучением от рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL физики отслеживали ударную волну в реальном времени с беспрецедентной точностью. Это позволило ученым наблюдать, как волна распространяется и сжимает материал практически в девять раз.

Экспериментальные результаты совпали с предсказанием гидродинамического моделирования, проведенного учеными. Симуляции и экспериментальные данные подтвердили, что удар возникал в результате абляционного нагрева от лазера, за которым последовала сходящаяся цилиндрическая ударная волна. Как отметили ученые, методика может применяться не только для медных проволок, но и для изучения других материалов, которые важны для астрофизических исследований, таких как углерод и железо.

По словам физиков, эта методика открывает возможность для того, чтобы исследовать условия, которые существуют, например, во внутренних слоях Юпитера или в оболочках белых карликов.

Помимо экспериментальных методов, ученые активно развивают компьютерные модели, чтобы предсказывать поведение вещества в экстремальных условиях. Например, мы писали, как такую модель ученым удалось создать для описания электронного газа.