Distribuzione iniziale della velocità degli elettroni (EVD) del plasma di elio a ionizzazione indotta da campo ottico (OFI). EVD (A) per impulso laser a polarizzazione circolare (CP) e (B) per polarizzazione lineare (LP) da simulazioni 3D OSIRIS. Le linee blu continue in (A) e (B) mostrano le distribuzioni previste. Nel caso CP (A), la distribuzione proiettata si discosta significativamente da una distribuzione Maxwelliana avente la stessa temperatura quadratica media (rms) di 470 eV, come mostrato dalla linea tratteggiata rossa. Nel caso LP (B), la distribuzione proiettata può essere ben approssimata da una distribuzione a due temperature (1D Maxwelliana) con THe1+=60eV e THe2+=60eV =214 eV. Le linee blu in (C) e (D) mostrano lo spettro TS misurato per CP (C) e LP (D) per una densità di plasma inizialmente piuttosto bassa di 6,6 × 1017 cm-3. Le linee tratteggiate rosse in (C) e (D) sono adatte allo spettro misurato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax4545
Le instabilità cinetiche derivano comunemente da distribuzioni di velocità degli elettroni anisotrope (diverse proprietà in direzioni diverse) all'interno della ionosferica, plasma cosmico e terrestre. Ma finora solo una manciata di esperimenti ha convalidato questa teoria. Gli impulsi laser ultraveloci possono essere utilizzati durante la ionizzazione del campo ottico degli atomi per generare plasmi con distribuzioni di velocità degli elettroni anisotrope note per comprendere il fenomeno nella pratica. In un recente studio, Chaojie Zhang e un gruppo di ricerca interdisciplinare nei dipartimenti di Ingegneria Elettrica e Informatica, e Fisica e Astronomia negli Stati Uniti, hanno mostrato che il plasma ha subito una filamento a due flussi dopo la ionizzazione, ma prima della termalizzazione basata sulla collisione degli elettroni costituenti.
Hanno osservato instabilità di Weibel (presenti nel plasma omogeneo o quasi omogeneo) che isotropizzavano (proprietà simili in tutte le direzioni) le distribuzioni degli elettroni. I ricercatori hanno misurato la frequenza e i tassi di crescita dipendenti dalla polarizzazione di queste instabilità cinetiche utilizzando lo scattering Thomson (TS) di una sonda laser, che concordava bene con la teoria cinetica e le simulazioni. Il team di ricerca ha dimostrato una piattaforma di laboratorio facilmente dispiegabile per studiare le instabilità cinetiche all'interno del plasma; i risultati sono ora pubblicati in Progressi scientifici .
I plasmi sono suscettibili di instabilità cinetica quando la distribuzione della velocità dei suoi elettroni costituenti plasma, ioni o entrambi diventano non termici. I fisici possono convalidare sperimentalmente la teoria di queste instabilità se hanno una conoscenza diretta delle funzioni di distribuzione della velocità iniziale di tali specie di plasma. Con l'avvento dell'impulso ultracorto intenso, laser nel vicino infrarosso, i ricercatori hanno ionizzato atomi e/molecole di un gas in pochi cicli laser per generare funzioni di distribuzione della velocità degli elettroni (EVD) anisotrope o non termiche. Il processo è noto come ionizzazione indotta da campo ottico o tunnel (OFI). La capacità di avviare funzioni di distribuzione della velocità consentirà ai ricercatori di testare quantitativamente la teoria cinetica dei plasmi su scale temporali ultraveloci, prima delle collisioni elettrone-elettrone (e-e) e della termalizzazione ionica. Però, i meccanismi e la scala temporale in cui gli elettroni del plasma si sono evoluti da uno stato anisotropo a uno stato termico rimangono un problema sperimentale irrisolto nella scienza di base.
Le simulazioni 2-D mostrano lo streaming cinetico innescato da OFI e le instabilità di filamento in un plasma di elio. Il plasma (ne =5 × 1018 cm−3) è ionizzato da un laser CP (τ =50 fs, w0 =8 micron, I =1,6 × 1017 W/cm2). Il campo Ey, campo Bx, e le fluttuazioni di densità associate all'instabilità sono mostrate in (A), (B), e C), rispettivamente. (D) e (E) sono ingranditi delle regioni contrassegnate dalle caselle in (C). Il corrispondente k-spazio di queste fluttuazioni di densità è mostrato in (F) e (G), dove i due punti segnano il k delle onde misurate negli esperimenti e dove la sonda da 400 nm (800 nm) viene utilizzata per gli impulsi della pompa CP (LP). (H e I) e (J e K) mostrano lo spazio delle fasi trasverso degli elettroni He1+ e He2+ ionizzati dai laser CP e LP, rispettivamente. Questi risultati provengono da simulazioni con risoluzioni più elevate. Le barre di colore rappresentano la densità degli elettroni [in unità arbitrarie (au)]. La scatola di simulazione è larga 35 μm in y. Poiché il laser ionizza solo i 20 μm centrali di He, in questi grafici è mostrata una finestra di 30 μm. In tutti i casi, gli elettroni all'interno di una lastra Δz =2-μm a z =20 μm sono usati per mostrare lo spazio delle fasi. (H) e (I) vengono presi 0,14 ps mentre (J) e (K) vengono presi 1,9 ps dopo che il laser ha superato la lastra. Le linee tratteggiate grigie segnano le posizioni delle guaine sottili. La direzione delle frecce indica lo spostamento delle distribuzioni del momento. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax4545
A causa della gamma estremamente ampia di situazioni che dà luogo a instabilità cinetiche, compresi i lampi di raggi gamma, plasmi di elettroni positroni, campi magnetici, sincrotroni protonici, corona solare e mezzi interplanetari. Esiste un voluminoso corpus di lavori teorici sulla teoria cinetica dei plasmi. In questo lavoro, il team di ricerca ha prima descritto brevemente tre delle instabilità cinetiche più frequentemente studiate consentite dal plasma OFI per lo studio quantitativo in laboratorio. Per esempio, quando gli elettroni del plasma sono composti da due o più flussi co- o contro-propaganti (fasci) possono diventare instabili. Mentre esiste una grande quantità di lavoro teorico sulle instabilità cinetiche nei plasmi, restano da verificare ulteriormente in laboratorio. I team di ricerca avevano precedentemente studiato queste instabilità facendo passare fasci di elettroni relativistici attraverso i plasmi o creando due plasmi che si compenetrano.
In questo lavoro, Zhang et al. hanno mostrato che un plasma di elio OFI (ionizzazione indotta da campo ottico) ultraveloce con una distribuzione anisotropa della velocità degli elettroni (EVD) dipendente dalla polarizzazione era suscettibile allo streaming cinetico, filamentazione e instabilità di filamento di tipo Weibel. Hanno misurato i tassi di crescita e le frequenze di queste instabilità utilizzando lo scattering Thomson risolta nel tempo. Hanno confrontato le misurazioni con simulazioni al computer PIC (particella-in-cella) autoconsistenti (esatte) e successivamente con la teoria, e osservato un buon accordo.
Diagramma di Thomson Scattering (TS) ed esempi di spettri TS misurati. (A) diagramma k-matching in cui un plasma di elio prodotto da un 50-fs, Il laser a pompa CP (LP) da 800 nm viene diagnosticato da un laser a 400 nm, sonda 1 (800 nm, sonda 2) laser che attraversa il plasma con un ritardo variabile. Gli spettri TS risolti nel tempo misurati sono mostrati in (B) e (C) per la pompa CP e LP, rispettivamente. Si noti che le scale temporali per le due polarizzazioni sono diverse. Le linee tratteggiate indicano la posizione della frequenza plasma prevista corrispondente alla densità del plasma. L'intero set di dati è ottenuto scansionando i tempi in passi da 50 a 200 fs, e ogni passaggio è la media di 20 singoli eventi di scattering. Il tempo t =0 è definito come il tempo in cui pompa e sonda si sovrappongono (determinato individuando la posizione del fronte di ionizzazione visto in un shadowgram formato dalla sonda nella stessa posizione del raggio della sonda). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax4545
Negli esperimenti e nelle simulazioni, il team ha inizializzato le funzioni anisotrope EVD (distribuzione della velocità degli elettroni) ionizzando il primo e il secondo elettrone di elio (He) utilizzando impulsi laser Ti-Zaffiro polarizzati circolarmente (CP) o linearmente polarizzati (LP). Hanno monitorato il potenziale di ionizzazione dell'elettrone come l'intensità del laser necessaria per ionizzare più del 90% degli atomi di He attraverso un meccanismo di tunneling sviluppato altrove. Durante gli esperimenti, la funzione EVD del secondo elettrone He era "più calda" del primo elettrone He. Zhang et al. ottenuto i risultati dopo il passaggio di impulsi lineari da una simulazione 3-D di particelle in cellule (PIC), che hanno costruito usando il codice OSIRIS. La distribuzione del momento dell'elettrone assomigliava a una forma a "doppia ciambella" per i laser a polarizzazione circolare (CP) ea una distribuzione a due temperature nella direzione dei laser a polarizzazione lineare (LP). Hanno confermato che i plasmi prodotti in questo modo hanno funzioni EVD. I valori misurati dal gruppo di ricerca concordavano in modo eccellente con i valori attesi dalla simulazione PIC.
Il team di ricerca ha quindi utilizzato simulazioni 2-D dello streaming cinetico innescato dalla ionizzazione del campo ottico (OFI) e delle instabilità di filamento in un plasma di He. Di conseguenza, sia lo streaming che l'instabilità di filamento iniziarono a crescere subito dopo la creazione del plasma. Hanno osservato che l'instabilità dello streaming alla fine si saturava e si smorzava molto rapidamente e Zhang et al. pertanto, allo stesso modo, si aspettava che l'instabilità della filamentazione avesse un comportamento temporale comparabile. In fasi successive, L'instabilità del filamento di tipo Weibel guidata da un'anisotropia a temperatura ridotta ma finita degli elettroni iniziò a dominare nel plasma.
Evoluzione dell'anisotropia di temperatura del plasma OFI. La riga superiore (inferiore) in (A) mostra la funzione di distribuzione py (pz) degli elettroni a t =0, 1, e 6 pz. La linea tratteggiata grigia è un adattamento gaussiano alla distribuzione. La distribuzione iniziale può essere approssimata da quattro fasci Maxwelliani alla deriva nel piano trasversale come indicato dalla linea rossa e dalle frecce. La linea rossa tratteggiata è un adattamento gaussiano alla distribuzione pz. (B) La linea blu mostra l'anisotropia dalla stessa simulazione di (A), che non include le collisioni. La linea rossa mostra la simulazione dell'evoluzione dell'anisotropia di un plasma preionizzato con solo collisioni di Coulomb incluse. (C) L'energia media del campo magnetico in funzione del tempo mostra due distinte fasi di crescita corrispondenti ai regimi di filamento e di Weibel, rispettivamente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax4545
Per ottenere ulteriori informazioni sull'instabilità cinetica, Zhang et al. sondato un vettore d'onda. Per questo, hanno usato un laser a 400 nm o un laser a 800 nm con una larghezza di banda di 5 nm e una larghezza di impulso di 100 femtosecondi (fs) e hanno sondato i componenti elettrostatici delle instabilità del plasma. Hanno misurato gli spettri e osservato due caratteristiche notevoli. All'inizio, la caratteristica dell'elettrone è cresciuta e si è saturata per smorzarsi in un lasso di tempo molto più breve del tempo per la collisione elettrone-elettrone. Prossimo, lo spostamento spettrale della caratteristica dell'elettrone ha mostrato un comportamento anomalo rispetto alla consueta onda di Langmuir (oscillazioni elettrostatiche di plasma). La frequenza di picco della caratteristica dell'elettrone e l'esistenza della caratteristica della frequenza zero erano prove essenziali per Zhang et al. per corroborare lo streaming e le instabilità filamentose nella configurazione. Il team di ricerca ha studiato ulteriormente lo streaming, filamentazione e instabilità di Weibel indotte da laser a polarizzazione circolare ampiamente all'interno del sistema sperimentale.
Gli scienziati hanno anche monitorato l'evoluzione delle distribuzioni della velocità degli elettroni e l'anisotropia della temperatura della ionizzazione del campo ottico in una simulazione 2-D. Hanno modellato coerentemente la ionizzazione e l'evoluzione del plasma nella simulazione escludendo le collisioni di Coulomb per isolare l'effetto delle instabilità sull'anisotropia della temperatura. Hanno osservato instabilità cinetiche negli esperimenti, per cui l'anisotropia del plasma scese rapidamente.
Instabilità in un plasma ionizzato da un laser LP. (A) Evoluzioni misurate (blu) e simulate (rosso) dell'entità delle fluttuazioni della densità elettronica dell'instabilità del flusso. (B) La grandezza misurata della modalità a frequenza zero in funzione del tempo, mostrando un comportamento oscillatorio con un periodo acustico approssimativamente ionico. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aax4545
Poiché l'instabilità di Weibel è saturata nella simulazione, i campi magnetici si auto-organizzano in una struttura quasi elicoidale come previsto altrove. Utilizzando ulteriori simulazioni, Zhang et al. ha confermato che le collisioni di elettroni non hanno giocato un ruolo significativo durante i primi 10 picosecondi dopo la formazione del plasma. Durante questo periodo, le instabilità cinetiche dominavano l'isotropizzazione del plasma, però, alla fine le collisioni termalizzeranno il plasma.
Il team di ricerca ha anche studiato le instabilità cinetiche indotte dai laser a polarizzazione lineare, che ha mostrato risultati contrastanti con i laser polarizzati circolarmente. In questo caso, l'instabilità è stata guidata da elettroni riflessi, che si propagava attraverso elettroni in movimento più lento. Lo spettro di frequenza della modalità era più stretto rispetto ai laser CP. Il processo sperimentale ha anche richiesto più tempo per far crescere e saturare l'instabilità dello streaming. Zhang et al. osservato un notevole accordo tra le misurazioni e la simulazione.
In questo modo, Chaojie Zhang e colleghi hanno mostrato la possibilità di generare EVD "designer" utilizzando una combinazione di condizioni che includono diverse polarizzazioni, lunghezze d'onda, profili di intensità e mezzi ionizzanti. Il team ha controllato la velocità di deriva e le temperature trasversali dei flussi modificando l'ellitticità di polarizzazione per sopprimere le instabilità di flusso o di filamento. I ricercatori hanno dimostrato che i plasmi OFI ultraveloci erano non termici con un'anisotropia ad alta velocità. I plasmi hanno subito instabilità filamentose e filamentose, seguita da instabilità di filamento simile a Weibel per isotropizzare il plasma. Quando hanno misurato la frequenza dipendente dalla polarizzazione e il tasso di crescita di queste instabilità cinetiche, i risultati concordavano bene con la teoria cinetica e le simulazioni. Il team di ricerca ha quindi sviluppato e dimostrato una piattaforma facilmente implementabile per studiare le instabilità cinetiche del plasma in laboratorio.
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