Российским ученым удалось нагреть поверхность металла до трех миллионов градусов и при этом сохранить его плотность при прямом облучении мощным лазером. Это открывает новые возможности по исследованию материалов в экзотическом состоянии теплого плотного вещества, которое в естественных условиях встречается только в недрах планет. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.
Последние годы наблюдается повышенный интерес ученых к изучению так называемого теплого плотного вещества (Warm Dense Matter) — экзотического состояния вещества, которое с одной стороны проявляет свойства плазмы, но с другой стороны находится при столь высоком давлении, что электроны в нем являются квантово вырожденными, то есть близки по своим свойствам к электронам в твердых телах.
В нашем ближайшем окружении теплое плотное вещество не встречается, однако именно в этом состоянии находится вещество в недрах планет. По этой причине знание законов, которые описывают его поведение, в частности, важно для планетологии, поскольку позволяет строить корректные модели возникновения и развития планет.
Обычно в эксперименте состояние теплого плотного вещества достигается за счет относительно невысокого — до нескольких десятков и сотен тысяч градусов Цельсия — нагрева твердотельных образцов. Однако осуществить такой нагрев сложно, поскольку при нагреве вещество стремится расшириться, и его плотность быстро падает. Поэтому нагрев осуществляют или под дополнительным давлением — например, в алмазных наковальнях, — или достаточно быстро, чтобы вещество просто не успело разлететься.
Для быстрого нагрева вещества идеальным источником выглядят «сверхбыстрые» лазеры, излучающие импульсы длительностью всего в несколько десятков фемтосекунд. Такие импульсы, кроме того, могут быть достаточно мощными. Например, недавно китайским ученым удалось получить импульсы с рекордной мощностью в почти пять петаватт. Поскольку генерируемые такими машинами импульсы одновременно короткие и мощные, они могут быстро нагреть вещество до требуемых температур.
До сих пор, однако, осуществить прямой нагрев вещества подобными лазерными импульсами не удавалось, поскольку у любого лазерного импульса есть предвестник или так называемый предымпульс. И, хотя обычно его мощность в миллионы раз ниже, чем мощность самого импульса, но из-за значительно большей длительности он несет в себе достаточное количество энергии, чтобы разрушить поверхность мишени задолго до его прихода. Проблема особенно усугубляется в случае сверхмощных импульсов, для которых предвестник может иметь мощность, сравнимую с мощностью промышленных лазеров, применяемых для резки металла.
Решить эту проблему смогли в нижегородском Институте прикладной физики РАН, где был создан лазерный комплекс PEARL, принципы генерации излучения в котором отличны от традиционных. Обычно лазерное излучение создаётся в специальных лазерных средах. Их сначала «накачивают» энергией, возбуждая атомы, а затем пропускают через них импульс небольшой мощности. Проходя сквозь среду, импульс индуцирует излучение возбуждённых атомов, которое складывается с первоначальным импульсом и многократно усиливает его. Принципиальной проблемой борьбы с предвестником в таких системах является явление спонтанной люминесценции — возбужденные атомы излучают даже в отсутствии внешнего импульса, и поэтому лазерная среда начинает «светить» еще до его прихода, создавая предымпульс.
В дальнейшем ученые рассчитывают, во-первых, провести аналогичные исследования для более высоких интенсивностей лазерного излучения, а во-вторых, измерить в повторных экспериментах другие свойства получающейся плазмы, которые позволили бы проверить некоторые теоретические модели, придуманные для описания тёплого плотного вещества.