Sonnenplasma mit Nanostäbchen

  • 03. September 2013

Ultrakurze Laserpulse lassen dünne Nickel-Nanostäbchen bei extrem hohen Temperaturen verdampfen.

Die Menschheit war schon immer vom Sonnenfeuer fasziniert. Nach Jahrtausenden spiritueller Verehrung bemüht sich heute die Plasmaphysik darum, extrem heiße und dichte Materiezustände besser zu verstehen und experimentell nachzubilden. Bei den friedfertigen Anwendungen hat sich hierbei vor allem der Laserbeschuss auf kompakte Oberflächen als Mittel der Wahl etabliert. Große Anlagen können mittelschwere Atomkerne bis auf ein oder zwei Elektronen ionisieren und somit Wasserstoff- oder Helium-ähnliche Elektronenkonfigurationen erzeugen. Solche Geräte arbeiten mit Laserleistungen im Bereich vieler Kiloelektronenvolt. Dass beim Erzeugen extremer Plasmen aber nicht immer nur Größe und Laserleistung zählen müssen, konnte nun ein Team der State University aus Colorado zeigen.

Der Laserpuls trifft von oben auf die Nanostäbchen und verdampft sie zu extrem heißem und dichtem Plasma, wie diese Simulation in Einklang mit den Messergebnissen zeigt. (Bild: M. Purvis et al. / NPG

Abb.: Der Laserpuls trifft von oben auf die Nanostäbchen und verdampft sie zu extrem heißem und dichtem Plasma, wie diese Simulation in Einklang mit den Messergebnissen zeigt. (Bild: M. Purvis et al. / NPG)

Die Schwierigkeit, extreme Plasmen zu erzeugen, liegt nicht nur darin, möglichst viel Energie auf eine kleine Fläche zu bringen. Denn beim Aufheizen entsteht nach sehr kurzer Zeit eine kritische Dichte der Oberflächenelektronen, die ein tieferes Eindringen der Laserenergie in das ionisierte Material verhindert. Üblicherweise entstehen heiße Plasmen deshalb nur an der Oberfläche und erreichen nur etwa ein zehntel Prozent der Festkörperdichte. Jüngere Experimente mit weniger dichten Materialien, etwa dünnen Folien, Kupferschäumen oder Nanostäbchen hatten aber starke Anstiege bei der Röntgenabstrahlung gezeigt, was auf erhöhte Plasmaproduktion hinwies.

Die Forscher aus Colorado, die vom Theoretiker Alexander Pukhov von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf unterstützt wurden, nutzten deshalb dünne Nanostäbchen aus Nickel und Gold, die sie per Elektrodeposition auf anodischen Aluminiumoxid-Membranen herstellten. Die Stäbchen hatten einen typischen Durchmesser von 55 Nanometern und standen dichtgereiht bei einem mittleren Abstand von 135 Nanometern. Mit dieser Anordnung erreichten die Forscher eine durchschnittliche Dichte von zwölf Prozent im Vergleich zum Festkörper.

Auf die Nanostäbchen feuerten die Wissenschaftler dann einen ultrakurzen Laserpuls aus einem Titan-Saphir-Laser. Die Pulsdauer betrug nur sechzig Femtosekunden. Diese kurze Dauer ist wichtig, damit das Laserlicht seine Energie im Material deponieren kann, bevor das Plasma so dicht geworden ist, dass es die Lücken im Material schließt. Entscheidend hierfür war insbesondere der ultrahohe Kontrast des Laserpulses. Diesen erreichten die Forscher vor allem über die Frequenzverdopplung des Laserpulses von umgerechnet 800 auf 400 Nanometer. Bei einem Strahl mit schwachem Kontrast könnten bereits Vorpulse mit relativ schwacher Intensität an der Oberfläche des Nanostäbchen ein Plasma mit kritischer Elektronendichte erzeugen. Die Energie des Laserpulses betrug lediglich ein halbes Joule und liegt damit um Größenordnungen unter den Hochenergie-Experimenten.

Im Versuch verhielten sich die Nanostäbchen so, wie Simulationen bereits vorhergesagt hatten. Nach den Berechnungen sollte der Puls tief in das Volumen eindringen können und fast seine gesamte Energie im Material deponieren. Und in der Tat maßen die Forscher ein extrem heißes Plasma, bei dem sich die Helium-artige Spektrallinie des Nickels bei rund 16 Nanometern  dominant im Röntgenspektrum abzeichnete. Dies entspricht 26-fach ionisiertem Nickel. Die Intensität dieser Linie übertraf bemerkenswerter Weise die K-alpha-Linie, und das bei Laserintensitäten von nur 5 × 1018 W cm-2.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Nickel-Nanostäbchen (Bild: M. Purvis et al.)

Abb.: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Nickel-Nanostäbchen (Bild: M. Purvis et al.)

Die Forscher wiederholten das Experiment auch mit Gold-Nanostäbchen von 80 Nanometern Durchmesser. Diese zeigten eine starke Emission der M-Schale sowie Röntgenstrahlung der 48- bis 52-fachen Ionisierungsstufe. Sowohl die Spektren als auch die Aufnahmen mit der von optischem Licht gefilterten Photodiode zeigten einen deutlichen Anstieg der Röntgenstrahlung im Vergleich zu flachen, polierten Oberflächen. Im Bereich zwischen zwei und drei Kiloelektronvolt verzeichneten sie einen Anstieg auf das etwa Hundertfache, oberhalb von acht Kiloelektronvolt immer noch auf das Fünfzigfache.

Die Tiefe, bis zu der die Nanostäbchen ionisiert wurden, konnten die Wissenschaftler experimentell zu drei bis vier Mikrometern bestimmen. Sie testeten Stäbchen verschiedener Länge zwischen einem und zwölf Mikrometern. Dabei stellten sie fest, dass die Helium-artige Spektrallinie bis zu etwa vier Mikrometer Länge zunahm, sich dann aber nicht weiter veränderte. Dies deckt sich mit ihren Simulationen, denen zufolge sich 365 Femtosekunden nach der Spitze des Pulses die obersten fünf Mikrometer in einem Helium-artigen Ionisierungszustand befinden sollen. Dem sollte im Zentrum der Nanostäbchen ein Druck von rund zehn Gigabar und eine thermische Energiedichte von zwei Gigajoule pro Kubikzentimeter entsprechen. Damit kommt die Plasmaphysik im Labor einem alten Ziel immer näher. Die Forscher könnten, wenn sie zu höheren Laserenergien gingen, Plasmen mit Temperaturen und Dichten erzeugen, die an diejenigen im Zentrum der Sonne heranreichen.

Dirk Eidemüller

OD

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