由大阪大學雷射科學研究所的千德靖彥教授與美國内華達大學裏諾分校的澤田寬副教授率領的，由日本高輝度光科學研究中心、理化學研究所同步輻射科學研究中心、SLAC國家加速器實驗室、阿爾伯塔大學、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、羅切斯特大學組成的國際合作研究團隊，透過X射線自由電子雷射SACLA的高速成像，成功捕捉到了經高強度雷射加熱的固體銅薄膜内部向電漿轉變的程序。該研究成果已發表在期刊《Nature Communications》上。
圖1. （a）由高強度短脈衝雷射加速的高速電子加熱銅薄膜示意圖；（b）從固體到高溫電漿的加熱程序及測量結果；（c）被雷射照射的銅薄膜X射線時間影像（供圖：大阪大學）
高強度雷射脈衝的加熱時間在100萬億分之一秒左右，加熱產生的高速電子（幾乎以光速運動）的動力學控制着電漿狀態的演變，因此之前沒有能夠捕捉這一瞬間的手段。
研究團隊開發了一種使用X射線自由電子雷射（XFEL）的高空間時間解析度測量技術，並全球首次成功捕捉到了加熱的銅薄膜内部向電漿狀態轉變的程序。
透過高速電子加熱高密度電漿的物理可用能原理，是實施雷射核融合不可或缺的高效核融合方式（快速點火方式）的重要相關知識。此外，實驗還表明，銅薄膜瞬間向電漿轉變的程序中，會出現一種被稱爲「固體－電漿過渡態」的電漿與金屬的中間狀態。這種狀態的物理性質等資訊對於瞭解行星内部以及雷射核融合燃料的狀態至關重要。
千德教授表示：「強雷射加熱物質形成電漿的程序會在100萬億分之一秒的極短時間内發生，所以此前只能透過數值類比來了解這一加熱程序的細節。此次，我們使用了XFEL這種新型工具，首次成功捕捉到了物質在極短時間内向電漿轉變的情況。作爲一名理論研究者，我很高興看到XFEL的測量結果與我們的預測十分吻合。同時，我們也發現了一些與預測不符的現象，本研究的成果將有助於今後進一步深入理解這一程序。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Spatiotemporal Dynamics of Fast Electron Heating in Solid Density Matter via XFEL
DOI：10.1038/s41467-024-51084-4
