Generazione laser di onde d’urto per la fisica delle alte pressioni (femtoshock)

Questo esperimento infatti segna l’inizio di una nuova linea di ricerca in INO, dove due del gruppo di fisica ad alta pressione, principalmente in base alla cella di diamante anvill (DAC), e quello di sorgenti laser ultraintensi fondono le loro abilità per indagare onde d’urto ultraintensi prodotte in solidi di questo tipo di laser. Si dovrebbe poi produrre in un laboratorio che viene chiamata la materia densa (WDM) regime calda, che è caratterizzato da una densità simile a solido e temperature superiori alla temperatura di Fermi. Una volta accoppiati a sorgenti di raggi X veloci, sia prodotta in un laboratorio o in un sincrotrone, o una risorsa XFEL, microscopici proprietà strutturali e dinamiche di WDM possono essere studiate in situ, fornendo così uno strumento ineguagliabile per svelare la natura di questo stato quasi sconosciuto della materia. Pensiamo questa combinazione di tecniche potrebbe aprire un nuovo campo di ricerca nel prossimo futuro. Su un terreno molto generale, le pressioni questione in estreme e ad alta temperatura è di grande interesse per la fisica di base, chimica e scienza planetaria ed è un gateway per la sintesi di materiali con proprietà uniche. Mentre il limite di elevate pressioni statiche conseguiti nel DAC è oggi vicino al 6-7 Mbar, la frontiera di estremi P-T è continuamente spinto in avanti da laser indotto tecniche urto sondato in situ con sorgenti di raggi X di sincrotrone generazione terzo e quarto. Onde d’urto forti sono efficacemente guidati da lunghi, laser a impulsi nanosecondo ad alta energia che vengono assorbiti nel plasma attraverso processi collisionali. Quando vengono utilizzati impulsi a femtosecondi, grandi correnti di elettroni veloci con decine o centinaia di keV energia sono generati, rendendo generazione scossa inefficiente. Questo scenario cambia drasticamente quando si utilizzano obiettivi nanoingegneria invece di obiettivi piatte (MA Purvis et al., Nat. Photonics 7, 796, 2013). Nel nostro esperimento, abbiamo in programma di utilizzare il laser fs con energia impulsiva di 0,5-10 J e gli obiettivi coperti da uno strato di entrambi i nanofili o nanotubi (figura 1), per la generazione di onde d’urto nel substrato con picchi di pressione di 0,1-1 Gbar. (PIC) simulazioni Particle-in-cell (Purvis et al., 2014) hanno mostrato che l’energia laser viene efficacemente assorbito dalle nanostrutture portano alla generazione di un relativamente spessi (qualche micron) strato di plasma con una temperatura di un pochi keV ed una densità di 10 ^ 23 centimetri ^ -3. Poi, secondo le nostre simulazioni idrodinamiche (S. Atzeni et al., Non pubblicato, 2014, vedi figura 2) questo strato di plasma può agire come un pistone e guidare pressioni nell’intervallo Gbar in maniera simile a come trovata con ns laser. Il ruolo delle nanostrutture qui è duplice. Innanzitutto agiscono sul laser e.m. campo frammentare e limitando generazione di elettroni caldi di altissima energia. Secondariamente forniscono una maggiore superficie di interazione laser-materia efficace che rende l’assorbimento di energia molto più efficiente. Abbiamo anche condotto diversi test sperimentali preliminari (estate 2014) presso l’impianto laser Gemini (RAL UK), che conferma le previsioni di calcolo. Il lavoro ora in corso per la preparazione di misure più accurate e esaustive, in diversi ultraintensi, fs strutture laser compresa quella installata presso INO-Pisa. Il nostro layout tipico sperimentale include diverse tecniche quali: (i) tempo di imaging risolto per il rilevamento della rottura urto attraverso la porta e (ii) spettroscopia a raggi X per misurare temperature del plasma caldo denso alla superficie di interazione laser / mater con temperature del target di massa sotto pressione shock. Un notevole vantaggio di indurre onde d’urto da FS laser anziché ns laser è che un impulso di energia molto inferiore è necessaria a potenza di picco simile e, di conseguenza, questo approccio potrebbe aprire un nuovo percorso per lo studio di materiali ad alta pressione, rendendo questo regime accessibile con sistemi laser CPA compatto, J-class.