Nel sole e in altri plasmi di fusione, gli atomi di idrogeno e i suoi isotopi sono il combustibile. I plasmi sono gas così caldi che gli elettroni vengono liberati dall'atomo, rendendo gli atomi ioni caricati elettricamente. Gli atomi non ionizzati sono chiamati neutri. Sulla terra, misurare con precisione la concentrazione di idrogeno neutro nei plasmi potrebbe offrire informazioni su futuri esperimenti di fusione e influire sulla progettazione di una futura fonte di energia basata sulla fusione. Per misurare la densità dell'idrogeno, gli scienziati devono utilizzare un metodo di misurazione calibrato. Hanno usato il gas krypton, che assorbe contemporaneamente due blocchi di energia luminosa (fotoni) e a sua volta emette un altro fotone. Il problema è che la luce emessa non è alla giusta lunghezza d'onda per misurazioni accurate della densità dell'idrogeno. In questo studio, gli scienziati hanno scoperto che gli atomi di xeno emettono luce a una lunghezza d'onda che si calibra bene con l'idrogeno e migliora le misurazioni della densità dell'idrogeno neutro.

Conoscere la concentrazione e la posizione degli atomi di idrogeno neutri all'interno del plasma super caldo ci aiuterà a capire e modellare il comportamento del plasma vicino alla parete della camera. Ciò aiuterà a controllare meglio il plasma per creare energia di fusione in laboratorio. La scoperta della sequenza di eventi a due fotoni negli atomi di xeno migliora significativamente il modo in cui gli scienziati calibrano le misurazioni della densità dell'idrogeno neutro negli esperimenti sul plasma.

La fusione termonucleare controllata è il processo di fusione di elementi leggeri in elementi più pesanti per rilasciare energia per applicazioni non armate. Elementi tipici da utilizzare come combustibile sono l'idrogeno e i suoi isotopi, deuterio e trizio. Poiché la temperatura nei plasmi creati in questi esperimenti varia da decine di migliaia a milioni di gradi Kelvin, è difficile misurare la posizione e la concentrazione degli atomi di idrogeno neutri. Mentre gli scienziati hanno ottenuto misurazioni relative della densità neutra dell'idrogeno o dei suoi isotopi in esperimenti sul plasma di fusione, Le misurazioni di fluorescenza indotta da laser a due fotoni a idrogeno (TALIF) calibrate con TALIF in xeno forniscono valori assoluti di densità e risoluzione spaziale e temporale molto elevata.

La fluorescenza indotta dal laser utilizza un raggio laser intenso focalizzato su un punto minuscolo nel plasma. Nel punto focale del laser, la luce è così intensa che gli atomi di idrogeno, deuterio, e il trizio assorbono due fotoni (pacchetti energetici di luce) invece del tipico fotone singolo. Dopo che gli atomi assorbono i due fotoni, emettono (fluorescenza) un singolo fotone di colore diverso. La misurazione della luce emessa informa gli scienziati sulla densità degli atomi di idrogeno neutri nel plasma. Se gli scienziati eseguono la stessa misurazione in una densità nota di un gas come il krypton quando l'esperimento di fusione viene disattivato, possono assolutamente calibrare la misura e quindi misurare la densità assoluta degli isotopi di idrogeno all'interno del plasma super caldo. Il gas di calibrazione deve anche essere in grado di assorbire due fotoni quasi alla stessa lunghezza d'onda del laser degli atomi di idrogeno. Un grosso problema nell'eseguire tale misurazione è che il punto da cui proviene l'emissione deve essere localizzato con precisione nelle ottiche che raccolgono la luce.

Storicamente, gli scienziati hanno usato il krypton come gas di calibrazione perché era l'unico gas noto per assorbire fotoni ultravioletti profondi quasi alla stessa lunghezza d'onda dell'idrogeno. Però, la lunghezza d'onda della luce emessa dal krypton è così diversa da quella dell'idrogeno che le lenti nell'esperimento focalizzano la luce del krypton in un punto diverso rispetto alla luce dell'idrogeno. Perciò, quando i ricercatori regolano le lenti per ottenere le migliori misurazioni di calibrazione del krypton, riducono o eliminano il segnale dell'idrogeno. Questo studio identifica un nuovo schema di calibrazione che utilizza lo xeno per il quale la lunghezza d'onda della luce emessa è quasi identica alla lunghezza d'onda dell'emissione di idrogeno.

Con questo nuovo schema identificato, i ricercatori possono riempire la camera dell'esperimento di fusione con gas xeno freddo e ottimizzare l'esperimento per ottenere il miglior segnale di emissione dallo xeno, ottimizzando contemporaneamente l'esperimento per le successive misurazioni dell'idrogeno. Questa scoperta è un importante progresso nella realizzazione di misurazioni calibrate della densità neutra negli esperimenti di fusione termonucleare.