在几皮秒（万亿分之一秒）内，一小块薄铜瞬间转变为致密等离子体，具体来说是一种被称为热致密物质的状态，热是一个相对术语——金属接近20万华氏度。随着高功率激光脉冲持续时间的缩短，铜在爆炸前瞬间从固态转变为等离子态。了解铜中热量的变化过程是与巨行星内部和激光聚变燃料核心相关的物理学的一个令人兴奋的突破。
内华达大学里诺分校的副教授Hiroshi Sawada与国际多个机构的同事共同开发了一种方法，可以跟踪激光脉冲发射后物质的加热和冷却过程。
在本周发表在《自然通讯》上的研究论文中，研究人员详细介绍了他们的方法。
利用日本SPring-8埃紧凑型自由电子激光器（SACLA）设施的x射线自由电子激光器（XFEL）产生的超短持续时间x射线脉冲，物理学家能够“观察”材料随时间的温度变化，从而更好地理解当金属被高功率激光击中时等离子体的形成过程。
由于极快的加热现象，以前很难或不可能捕获关于等离子体状态如何通过铜或其他材料的数据。在所谓的泵探针实验中，物理学家首先使用来自高功率激光器的相对论强度激光脉冲加热一小块铜（泵），然后使用来自次级激光器的x射线脉冲收集铜（探针）的x射线图像。
然后，从图像数据中推断出温度和电离度，或铜中等离子体的存在。研究人员多次重复这个实验，每次发射都会将二次激光脉冲延迟一点时间，以跟踪热量通过材料的过程。
这些实验中使用的XFEL和高功率激光器位于全球仅有的三个能够进行这些泵浦探测实验的设施之一，其他设施包括美国SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源（LCLS）和德国的欧洲XFEL。研究人员最初在COVID-19大流行之前使用由RIKEN和日本同步辐射研究所（JASRI）建造的SACLA进行了这些实验。XFEL是包括化学工程和生物化学在内的广泛领域的基本工具。
激光发射的结果是关于在微米尺度上热量传递时材料变化的最准确报告数据。就尺度而言，人的头发大约有70微米厚。
“我们从模拟中做出了一些预测，但这与我们观察到的完全不同，”Sawada表示。“我们被第一次实验中令人惊讶的结果所淹没，不知道该强调哪一个。”
研究人员预计，铜在受到激光脉冲的撞击后会转变为传统的等离子体。根据x射线脉冲的发现，等离子体是一种温暖的致密物质状态。
具有可靠结果的样品对于激光实验至关重要，因为x射线激光器上的光束时间极具竞争性。一个研究小组可能需要数年时间才能获得一种特定的激光。在本研究中，铜样品被激光切割成条状，并手动安装在样品支架上。每次激光射击都会破坏铜条，研究小组能够从200到300次目标射击中收集数据。
使用XFEL脉冲的改进技术比传统方法获得更精细的时间和空间分辨率。虽然十分之一万亿分之一秒看起来微不足道，但在原子水平上可以发生许多事情，包括以接近光速传播的热锋。泽田指出，诊断热致密物质仍然是一个挑战，需要更精确的技术和交叉检查方法。
Sawada的合著者包括来自JASRI、RIKEN、大阪大学激光工程研究所、斯坦福大学SLAC国家加速器实验室、阿尔伯塔大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和罗切斯特大学激光能量学实验室的物理学家。
Sawada设想这种方法将被应用于物理学的多个领域，包括等离子体物理学、高能量密度科学、天体物理学、惯性聚变能研究以及量子和原子物理学。它可以应用于其他自由电子激光设备，例如SLAC的下一代MEC-U设备，该设备将高功率千焦耳激光器与LCLS结合在一起。
此外，这些发现揭示了如何快速有效地将热量从激光器传递到高密度材料，这是一个使用极高强度激光器（如密歇根大学的NSF ZEUS激光设备）和未来罗切斯特大学的NSF OPAL激光器进行进一步探索的主题。
它还可以用于研究被加热材料的微米级变形如何影响热量在材料中的传递，并使用基于其他具有不同能量输出的设施的激光，测试不同材料中的热量进展。
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