Tuttavia, è ancora necessario superare alcune sfide per portare avanti le prestazioni dell'ablazione laser su scala nanometrica e per portare l'accelerazione ionica guidata dal laser nell'industria e nell'uso medico.

Durante l'interazione di un impulso laser ultracorto con un bersaglio solido, quest'ultimo evolve in uno stato ionizzato o plasma in un periodo di tempo estremamente breve (meno di un picosecondo [ps]), dove hanno luogo molteplici processi fisici complessi e accoppiati, mentre la loro interazione non è ancora del tutto compresa.

A causa dell'evoluzione ultraveloce del bersaglio, la fase iniziale dell'interazione, cioè la formazione del plasma, è difficilmente accessibile negli esperimenti. Pertanto, questa transizione ultraveloce da solido a plasma, che stabilisce le condizioni iniziali per processi successivi come l'ablazione o l'accelerazione delle particelle, è stata finora trattata con ipotesi approssimative nella maggior parte dei modelli numerici che descrivono tale interazione.

In un nuovo articolo pubblicato su Light:Science &Applications , un team internazionale di scienziati, tra cui Yasmina Azamoum e Malte C. Kaluza dell'Istituto Helmholtz Jena e della Friedrich-Schiller-Universität Jena, Germania, Stefan Skupin dell'Institut Lumière Matière, Francia, Guillaume Duchateau del Commissariat à l'énergie atomique (CEA-Cesta), Francia e coautori hanno fatto un significativo passo avanti nel chiarire la transizione da solido a plasma indotta dal laser ultraveloce e fornendo una comprensione approfondita dell'interazione dei processi fondamentali.

Presentano una tecnica di sondaggio a colpo singolo completamente ottica all'avanguardia che consente la visualizzazione completa della dinamica del bersaglio, da un solido freddo che passa attraverso la fase di ionizzazione a un plasma sovradenso. Ciò si ottiene attraverso l’uso di un impulso della sonda laser con uno spettro ottico a banda larga che illumina l’interazione dell’impulso della pompa con un foglio di carbonio simile al diamante spesso nanometri. I diversi colori dell'impulso della sonda arrivano in momenti diversi dell'interazione a causa di un trillo temporale.

Pertanto, l'evoluzione dello stato target codificato nella luce trasmessa dalla sonda può essere catturata con un singolo impulso della sonda. Tale tecnica di sondaggio a colpo singolo è vantaggiosa rispetto ai metodi convenzionali con sonda a pompa, in cui il processo analizzato deve essere riprodotto in modo identico dalla pompa per ogni ritardo della sonda. Ciò è particolarmente rilevante quando si utilizzano sistemi laser ad alta potenza, che spesso soffrono di forti fluttuazioni da impulso a impulso.

Inoltre, gli scienziati hanno dimostrato che per la corretta interpretazione dei profili di trasmissione della sonda misurati, la descrizione accurata della transizione iniziale da solido a plasma è cruciale. È stato sviluppato un modello di interazione in due fasi, in cui la prima fase tiene conto della dinamica di ionizzazione del bersaglio allo stato solido e la seconda fase considera il bersaglio nello stato di plasma.

Viene fornita un'evoluzione dettagliata dello stato target con risoluzioni temporali e spaziali elevate (rispettivamente sub-ps e nm), insieme a informazioni senza precedenti sull'interazione di processi fondamentali come la dinamica di ionizzazione, le collisioni di particelle e l'espansione idrodinamica del plasma.

Si prevede che i risultati di questa nuova tecnica di sondaggio e la loro interpretazione contribuiranno a una visione più approfondita delle varie dinamiche target e a una migliore comprensione dei processi fisici sottostanti. È probabile che questi risultati contribuiscano ad andare oltre i metodi tradizionali di lavorazione laser ultraveloce dei materiali e a rendere le tecnologie ioniche accelerate dal laser utilizzabili per applicazioni sociali.