这台激光器能在万亿分之一秒内将金属变成类似恒星的等离子体

本研究利用欧洲XFEL（位于德国汉堡附近申费尔德）的HED-HiBEF实验站，将一台X射线自由电子激光器与一台高强度光学激光器ReLaX结合使用，首次在万亿分之一秒（皮秒）时间尺度上实时追踪了物质被超强激光电离的完整过程。实验中，一束极强激光（峰值功率密度达250万亿兆瓦/平方厘米）瞬间击中一根仅为人发七分之一粗的铜丝——这种能量密度堪比中子星表面或伽马射线暴环境。铜丝瞬间汽化形成数百万度高温等离子体，铜原子迅速失去大量电子，生成高度电离的Cu²²⁺离子（即失去22个电子的铜离子）。随后，另一束由XFEL产生的硬X射线‘探针脉冲’照射该等离子体：其光子能量精确调谐至8.2千电子伏，恰好匹配Cu²²⁺的特定电子跃迁，引发共振吸收并激发出特征X射线荧光。通过测量该荧光信号随时间的变化，研究人员清晰绘制出Cu²²⁺离子的‘生命周期’——约0.5皮秒后开始出现，2.5皮秒达到峰值，之后因电子与离子重新结合（复合）而持续减少，约10皮秒后完全消失。计算机模拟进一步揭示：初始激光仅剥离少量电子，这些高能电子像波一样在材料中传播，不断撞出邻近原子的更多电子，从而引发级联电离；随后电子逐渐减速并被离子捕获，最终使原子恢复电中性。该成果不仅首次以 unprecedented 精度观测到此类超快电离动力学，更提供了一种可推广的、高时空分辨的等离子体诊断新方法，对设计高效可靠的激光惯性约束核聚变装置具有重要指导意义——因为激光聚变的核心正是依赖激光加热产生的极端高温等离子体及其内部电子动力学过程。