Eén röntgenflits onthult hoe plasma op alle schaalgroottes tegelijk instort

Plasma is de vierde toestand van materie, naast vast, vloeibaar en gas. Het ontstaat wanneer stof extreem heet wordt en elektronen loskomen van atomen. In kernfusiereactoren, bij explosies in de ruimte en in krachtige laserexperimenten speelt plasma een hoofdrol. Maar plasma is grillig: kleine verstoringen groeien snel uit tot instabiliteiten, en energie stroomt chaotisch tussen grote en kleine structuren. Dat proces heet turbulentie. Doordat elk experiment net iets anders verloopt, is het lastig om dezelfde situatie twee keer te meten. Onderzoekers hadden daarom een manier nodig om in één keer structuren van sterk uiteenlopende grootte te fotograferen, en dat razendsnel, want instabiliteiten in hete, dichte plasma's ontstaan binnen een fractie van een picoseconde.

Een filter dat de camera niet verblindt

Een internationaal team onder leiding van onderzoeker Masato Ota van het National Institute for Fusion Science in Japan, samen met de Universiteit van Osaka, vond een oplossing. Ze gebruikten de röntgenlaser SACLA in de Japanse stad Harima om extreem korte en felle röntgenflitsen op een piepklein doelwit te schieten: een rooster van siliciumstaafjes op microscopische schaal. Normaal gesproken wordt bij dit soort metingen het midden van de röntgenbundel afgeschermd met een zogeheten beamstop, omdat de camera anders beschadigd of verzadigd raakt. Het probleem is dat juist daar belangrijke informatie verdwijnt. De onderzoekers losten dit op met een filter van op elkaar gestapelde metaalfolies die naar het midden toe dikker worden. Dat filter dempt de felste signalen precies genoeg, zodat één camera in één keer zowel de zwakke als de felle signalen kan vastleggen. Daardoor werd het meetbereik meer dan honderd keer groter dan bij bestaande methoden.

Van hele kleine tot grotere structuren in beeld

Met deze aanpak beschoten de onderzoekers hun siliciumrooster met een extreem korte, krachtige laserpuls, waardoor het materiaal in een fractie van een seconde van vaste stof in plasma veranderde. Vervolgens vingen ze met de röntgenflits het hele instortings- en uitdijingsproces in beeld, van structuren van 10 nanometer tot 500 nanometer groot, binnen minder dan een picoseconde tijd. Dat is voor het eerst dat zo'n breed bereik aan schaalgroottes in één enkele meting is vastgelegd. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Communications Physics, laten iets opvallends zien: een toename van slechts een paar nanometer in de omvang van het ontstane plasma zorgt ervoor dat het materiaal ongeveer driekwart minder laserenergie opneemt. Zulke kleine verschillen hebben dus een groot effect op hoeveel energie daadwerkelijk in het materiaal terechtkomt.

Belang voor kernfusie en ruimtetechnologie

Deze inzichten zijn direct relevant voor laser-gedreven kernfusie, waarbij het juist cruciaal is dat laserenergie zo efficiënt mogelijk wordt overgedragen aan de brandstof. Ook voor het versnellen van ionen met lasers, een techniek die wordt onderzocht voor deeltjesversnellers en medische toepassingen, is nauwkeurige kennis van energieabsorptie onmisbaar. De onderzoekers denken dat hun meetmethode breder inzetbaar is, bijvoorbeeld om te bestuderen hoe vaste stoffen in het algemeen overgaan in plasma. Ze noemen zelfs mogelijke toepassingen buiten de natuurkunde, zoals het bestuderen van interacties met biologisch materiaal.