Gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno recentemente aggiornato un potente sistema laser ottico utilizzato per creare onde d'urto che generano condizioni di alta pressione come quelle che si trovano all'interno dei pianeti. Il sistema laser ora fornisce tre volte più energia per gli esperimenti con il laser a raggi X ultraluminosi di SLAC, fornendo uno strumento più potente per sondare gli stati estremi della materia nel nostro universo.

Insieme, i laser ottici e a raggi X formano lo strumento Matter in Extreme Condition (MEC) presso la Linac Coherent Light Source (LCLS). Il sistema laser ottico ad alta potenza crea condizioni estreme di temperatura e pressione nei materiali, e il raggio laser a raggi X cattura la risposta del materiale.

Con questa tecnologia, i ricercatori hanno già esaminato come la meteora impatta i minerali d'urto nella crosta terrestre e le condizioni simulate all'interno di Giove trasformando il foglio di alluminio in un caldo, plasma denso.

Maggiore intensità e forme di impulso più controllate

Il team dello strumento MEC ha ricevuto finanziamenti dall'Office of Fusion Energy Sciences (FES) all'interno dell'Office of Science del DOE per raddoppiare la quantità di energia che il raggio ottico può fornire in 10 nanosecondi, da 20 a 40 joule.

Ma sono andati anche oltre.

"La squadra ha superato le nostre aspettative, un risultato entusiasmante per il programma DOE High Energy Density e per i futuri utenti di strumenti MEC, "dice Kramer Akli, responsabile del programma per plasma da laboratorio ad alta densità di energia presso FES.

Il team ha triplicato la quantità di energia che il laser può fornire in 10 nanosecondi a un punto su un bersaglio non più grande della larghezza di pochi capelli umani. Quando focalizzato su quella piccola area, il laser fornisce agli utenti intensità fino a 75 terawatt per centimetro quadrato.

"In altri termini, il laser aggiornato ha la stessa potenza di 17 Tesla che scaricano le loro batterie da 100 chilowattora in un secondo, "dice Eric Galtier, uno scienziato dello strumento MEC.

Una parte dell'aggiornamento energetico può essere attribuita al nuovo laser ottico, front-end pompato a diodi fatti in casa, progettato con l'aiuto di Marc Welch, un ingegnere laser MEC. Gli scienziati hanno anche costruito e automatizzato un sistema per modellare gli impulsi laser con straordinaria precisione, consentendo agli utenti una flessibilità e un controllo sostanzialmente maggiori sulle forme di impulso utilizzate nei loro esperimenti.

Un laser più potente e affidabile significa che i ricercatori possono studiare regimi di pressione più elevati e raggiungere condizioni rilevanti per gli studi sull'energia di fusione.

Simulazione del nucleo dei pianeti

L'aggiornamento MEC è promettente per molti ricercatori, tra cui Shaughnessy Brennan Brown, uno studente di dottorato in Ingegneria Meccanica, la cui ricerca si concentra sulla scienza ad alta densità di energia, che abbraccia la chimica, scienza dei materiali, e fisica. Brennan Brown utilizza la hutch sperimentale MEC per guidare le onde d'urto attraverso il silicio e generare condizioni di alta pressione che si verificano all'interno della Terra.

"L'aggiornamento MEC a LCLS consente ai ricercatori come me di generare entusiasmanti, regimi inesplorati di materia esotica – come quelli trovati su Marte, il nostro prossimo trampolino di lancio planetario - con affidabilità e ripetibilità cruciali, " dice Brennan Brown.

La ricerca di Brennan Brown esamina i processi mediante i quali il silicio nel nucleo terrestre si riorganizza atomicamente in condizioni di alta temperatura e pressione. Le proprietà termodinamiche di questi stati di alta pressione influenzano il nostro campo magnetico, che ci protegge dal vento solare e ci permette di sopravvivere sulla Terra. L'aggiornamento del laser consentirà a Brennan Brown di raggiungere condizioni di pressione e temperatura più elevate all'interno dei suoi campioni, un obiettivo di lunga data.

Intensità più precisione

Il laser ottico amplifica gradualmente un raggio a bassa potenza e raggiunge energie sempre più elevate. Però, la qualità del raggio laser e la capacità di controllarlo diminuiscono durante l'amplificazione. Un impulso di bassa qualità può iniziare e finire con una forma significativamente diversa, che non è utile per i ricercatori che cercano di ricreare condizioni specifiche.

"L'impulso iniziale a bassa energia deve avere una modalità spaziale incontaminata e la forma temporale correttamente configurata, ovvero una precisa modellazione della potenza dell'impulso in funzione del tempo - prima dell'amplificazione per produrre le caratteristiche dell'impulso laser necessarie per consentire l'esperimento di ciascun utente, "dice Michael Greenberg, il Responsabile Area Laser MEC.

Ogni bersaglio è unico e richiede un'energia specifica e una forma di impulso, effettuare test manuali e regolazioni che richiedono tempo. Prima dell'aggiornamento, il team ha ottimizzato manualmente la forma del polso, impiegando da poche ore a qualche giorno per calibrarlo correttamente.

Per risolvere questo problema, Eric Cunningham, uno scienziato laser al MEC, sviluppato un sistema di controllo automatizzato per modellare il raggio a bassa potenza prima dell'amplificazione.

"Il nuovo sistema consente una precisa personalizzazione della forma dell'impulso utilizzando un sistema computerizzato di feedback loop che analizza gli impulsi e ricalibra automaticamente il laser, " ha affermato Cunningham. Il nuovo ottimizzatore è un sistema promettente per generare molti impulsi di alta qualità nel modo più accurato e tempestivo possibile.

Oltre alle forme di impulso migliorate, il sistema aggiornato deposita energia sui campioni in modo più coerente da un'iniezione all'altra, che consente ai ricercatori di riprodurre molto da vicino gli stati estremi della materia nei loro campioni. Di conseguenza, sia la qualità dei dati che l'efficienza operativa sono migliorate.

Brennan Brown afferma che sono le persone e la tecnologia a rendere lo strumento così efficace:"La capacità e la competenza degli scienziati e degli ingegneri laser della stazione sperimentale MEC offrono ai ricercatori le risorse tecnologiche di cui hanno bisogno per esplorare le domande senza risposta dell'universo e portare le loro teorie a vita."