在几皮秒(万亿分之一秒)的时间内，一小块薄铜瞬间变成致密等离子体，具体来说是热致密物质状态，热是一个相对术语——金属温度接近200,000华氏度。在高功率激光脉冲的短暂持续时间内，铜在爆炸前瞬间从固态转变为等离子状态。了解铜中的热量变化是物理学中一项令人兴奋的突破，与巨行星内部和激光聚变燃料芯有关。

内华达大学里诺分校物理系副教授HiroshiSawada与多家国际机构的同事一起开发了一种方法，用于追踪激光脉冲发射后材料如何加热和冷却。

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)发出的超短X射线脉冲，物理学家可以“看到”材料随时间的温度变化，从而更好地了解金属被高功率激光照射时如何形成等离子体。

由于加热速度极快，以前很难甚至不可能捕捉到有关等离子体状态如何穿过铜或其他材料的数据。在所谓的泵浦探测实验中，物理学家首先使用高功率激光器发出的相对论强度激光脉冲加热一小块铜(泵浦)，然后来自次级激光器的X射线脉冲收集铜的X射线图像(探测器)。

然后，从图像数据中推断出铜的温度和电离度，即等离子体的存在。研究人员多次重复这个实验，每次发射时将二次激光脉冲延迟一点时间，以追踪热量通过材料的进展。

这些实验中使用的XFEL和高功率激光器位于全球仅有的三座能够进行此类泵浦探测实验的设施之一，另外两座分别是美国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疫情之前使用由RIKEN和日本同步辐射研究所(JASRI)建造的SACLA进行了这些实验。XFEL是化学工程和生物化学等众多领域的重要工具。

激光发射的结果是关于材料在微米级热量传递过程中如何变化的最精确报告数据。以人类头发的厚度计算，约为70微米。

一名研究人员手持附有微小铜箔的脚手架。这些铜片将受到激光照射，温度升至数千华氏度。图片来源：HiroshiSawada

“我们从模拟中得到了一些预测，但结果与我们看到的完全不同，”Sawada说。“第一次实验中令人惊讶的结果让我们不知所措，我们不知道应该强调哪一个。”

研究人员原本预计，铜在受到激光脉冲撞击后会转变成经典等离子体。但研究人员根据X射线脉冲发现，等离子体实际上是一种温暖致密的物质状态。

对于激光实验来说，具有稳健结果的样本非常重要，因为X射线激光的光束时间竞争非常激烈。研究小组可能需要数年时间才能获得特定激光的使用权。在这项研究中，铜样品被激光切割成条状，并手动安装在样品架上。每次激光射击都会破坏铜条，团队能够从200到300次目标射击中收集数据。

使用XFEL脉冲的改进技术实现了比传统方法更精细的时间和空间分辨率。虽然十分之一万亿分之一秒似乎微不足道，但在原子层面上可以发生很多事情，包括以接近光速传播的热锋。Sawada说，诊断热致密物质仍然是一项挑战，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、斯坦福大学运营的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设想这种方法将应用于物理学的多个领域，包括等离子体物理学、高能密度科学、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施，例如SLAC的下一代MEC-U设施，该设施将高功率拍瓦和高能千焦耳激光器与LCLS结合在一起。

此外，这些发现还揭示了热量从激光传递到高密度材料的速度和效率，这是使用密歇根大学NSFZEUS激光设备等超高强度激光器以及罗切斯特大学未来的NSFOPAL激光器进一步探索的课题。

它还可用于研究被射击材料的微米级变形如何影响热量在材料中的传递方式，并使用位于其他设施的具有不同能量输出的激光器，测试不同材料中的热量进程。

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