jueves,26 mayo 2022
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Mediante luz XUV ultracorta

Desvelan con ayuda de UPM la ionización de plasmas

Redacción
Una colaboración internacional en la que ha participado la UPM logra observar la ionización de un plasma y su interacción con haces ultravioleta de femtosegundos usando un novedoso modelo computacional desarrollado en esta universidad.

En un artículo publicado en Light: Science & Applications, revista del grupo Nature, un equipo de investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), el Institut Polytechnique de Paris y la Friedrich Scheller University Jena, liderados por la University of California Berkeley (UCB), ha mostrado la observación directa del estado de ionización de un plasma de kriptón y su posterior interacción con haces ultravioleta ultracortos. El experimento se ha podido simular y comprender en su totalidad con un modelo computacional desarrollado en la UPM gracias al cual se podrán crear plasmas con condiciones (densidad, temperatura, ionización) controladas. Se espera que estos resultados tengan un importante impacto en tecnologías como los láseres de rayos X basados en plasmas o en el campo de la fusión por confinamiento inercial.

La materia ionizada, o plasma, aparece en multitud de sistemas físicos (rayos, ionosfera, estrellas, etc.) y aplicaciones tecnológicas (tubos fluorescentes, corte por plasma, fusión nuclear, etc.) No en vano, la mayor parte de la materia conocida del universo se encuentra formando un plasma. Por tanto, entender este estado de la materia y su interacción con la luz nos permitirá comprender mejor tanto sus aplicaciones industriales como los secretos del universo. Aunque es fácil crear plasmas en laboratorio, estudiar sus propiedades experimentalmente sigue siendo un reto ya que existen pocas técnicas capaces de medir la densidad y estado de ionización de los plasmas con suficiente resolución.

Con el objetivo de comprender mejor las propiedades de los plasmas, un equipo internacional liderado por el profesor Michael Zuerch de la UCB, y del que forma parte el grupo del investigador de la UPM Eduardo Oliva, ha diseñado un experimento con el que se creó un plasma de kriptón ocho veces ionizado capaz de amplificar radiación ultravioleta extrema (XUV). En este plasma se inyectó un haz XUV cuyas propiedades (intensidad y fase) se modifican según atraviesa la columna de plasma.  Estas propiedades se pueden medir iluminando con el pulso XUV resultante un blanco de tamaño nanométrico bien caracterizado, por ejemplo, una red de agujeros circulares cuyas posiciones, tamaños y distancias son conocidas con suficiente precisión. La imagen obtenida ꟷdenominada patrón de difracciónꟷ permite conocer propiedades concretas del pulso XUV como, por ejemplo, la distribución espacial de la intensidad y la fase del pulso que ha atravesado el plasma. Sorprendentemente, se encontró un patrón en la distribución espacial que no se esperaba teniendo en cuenta una geometría ideal del plasma, lo cual permitió estudiar las inhomogeneidades en densidad e ionización.

Esquema del sistema experimental y el resultado de las simulaciones que lo reproducen. Fuente: Michael Zuerch, University of California Berkeley mwz@berkeley.edu

El experimento fue estudiado computacionalmente por el equipo dirigido por el Dr. Eduardo Oliva, investigador Ramón y Cajal del Instituto de Fusión Nuclear "Guillermo Velarde" (IFN-GV), de la ETSI Industriales de la UPM. Para ello se usaron una serie de códigos, la mayor parte desarrollados en el IFN-GV, que permitieron simular el experimento en su totalidad, desde la creación del plasma hasta la propagación del haz XUV. Gracias a estas simulaciones multiescala se ha podido demostrar que los patrones encontrados en el haz XUV están relacionados con las inhomogeneidades del plasma y la interacción altamente no lineal entre el plasma y el láser que genera el kriptón ionizado.

En base a estos resultados, y en declaraciones de Eduardo Oliva: "los códigos de simulación usados permitirán diseñar experimentos en los que, controlando la interacción laser-plasma, se podrán crear plasmas con condiciones de densidad, temperatura e ionización muy concretas."  Finalmente, es de esperar que estos resultados tengan un importante impacto en tecnologías como los láseres de rayos X basados en plasmas o en el campo de la fusión por confinamiento inercial.

F. Tuitje, P. Martínez Gil, T. Helk, J. Gautier, F. Tissandier, J.-P. Goddet, A. Guggenmos, U. Kleineberg, S. Sebban, E. Oliva, C. Spielmann & M. Zürch. Nonlinear ionization dynamics of hot dense plasma observed in a laser-plasma amplifier. Light: Science & Applications volume 9, Article number: 187 (2020)   

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