Laser paling kuat di dunia mengungkapkan rahasia ionisasi yang dihasilkan dari tekanan pada bintang dan fusi nuklir

Para ilmuwan melakukan eksperimen laboratorium di National Ignition Facility di Lawrence Livermore National Laboratory yang menghasilkan tekanan kuat yang diperlukan untuk ionisasi tekanan. Penelitian mereka memberikan wawasan baru ke dalam fisika atom pada tekanan gigabyte, yang bermanfaat bagi penelitian astrofisika dan fusi nuklir. Kredit: Ilustrasi oleh Greg Stewart/Laboratorium Akselerator Nasional SLAC; Disisipkan oleh Jan Vorberger/Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Lawrence Livermore telah berhasil menggunakan laser paling kuat di dunia untuk mensimulasikan dan mempelajari ionisasi tekanan, sebuah proses penting untuk memahami struktur planet dan bintang. Penelitian ini telah mengungkapkan sifat tak terduga dari materi yang sangat padat dan memiliki implikasi penting untuk penelitian astrofisika dan fusi nuklir.

Para ilmuwan telah melakukan eksperimen laboratorium di Laboratorium Nasional Lawrence Livermore (LLNL) yang memberikan wawasan baru ke dalam proses kompleks ionisasi yang diinduksi oleh tekanan di planet dan bintang raksasa. Penelitian mereka diterbitkan 24 Mei di alammengungkapkan sifat-sifat material dan perilaku materi di bawah tekanan ekstrem, menawarkan implikasi penting untuk penelitian astrofisika dan fusi nuklir.

“Jika Anda dapat menciptakan kembali kondisi yang terjadi dalam tubuh astral, Anda benar-benar dapat mengetahui apa yang terjadi di dalamnya,” kata kolaborator Siegfried Glenzer, direktur Divisi Densitas Energi Tinggi di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC DOE. “Ini seperti memasukkan termometer ke dalam bintang dan mengukur suhunya dan apa pengaruh kondisi tersebut terhadap atom di dalam materi. Ini dapat mengajari kita cara baru memproses materi untuk sumber energi fusi.”

Tim peneliti internasional menggunakan laser terbesar dan paling energik di dunia, National Ignition Facility (NIF), untuk menghasilkan kondisi ekstrem yang diperlukan untuk ionisasi tekanan. Menggunakan 184 sinar laser, tim memanaskan bagian dalam rongga, mengubah energi laser menjadi sinar-X yang memanaskan cangkang berilium berdiameter 2 milimeter yang ditempatkan di tengah. Saat permukaan luar kerak mengembang dengan cepat karena panas, bagian dalamnya berakselerasi ke dalam, mencapai suhu sekitar dua juta kelvin dan tekanan tiga miliar atmosfer, menciptakan sepotong kecil materi seperti yang ditemukan di bintang kerdil selama beberapa nanodetik di laboratorium. .

Sampel berilium yang sangat dapat dimampatkan, dengan kerapatan hingga 30 kali lipat dari padatan di sekitarnya, diselidiki menggunakan hamburan sinar-X Thomson untuk menyimpulkan kerapatan, suhu, dan struktur elektronnya. Hasilnya mengungkapkan bahwa setelah pemanasan dan tekanan yang kuat, setidaknya tiga dari setiap empat elektron dalam berilium beralih ke keadaan konduktif. Selain itu, penelitian ini mengungkapkan hamburan elastis lemah yang tak terduga, menunjukkan lokalisasi elektron sisa yang rendah.

Materi di interior planet raksasa dan beberapa bintang yang relatif dingin sedang dikompresi dengan kuat oleh berat lapisan di atasnya. Pada tekanan tinggi seperti itu, karena tekanan tinggi, kedekatan inti atom menyebabkan interaksi antara keadaan ikatan elektronik ion tetangga dan akhirnya ionisasi lengkapnya. Sementara ionisasi pada bintang yang terbakar terutama ditentukan oleh suhu, ionisasi karena tekanan mendominasi pada objek yang lebih dingin.

Meskipun penting untuk struktur dan evolusi benda langit, ionisasi tekanan sebagai jalur untuk materi yang sangat terionisasi kurang dipahami secara teoritis. Selain itu, keadaan materi ekstrem yang diperlukan sulit dibuat dan dipelajari di laboratorium, kata fisikawan LLNL Tilo Dubner, yang memimpin proyek tersebut.

“Dengan menciptakan kembali kondisi ekstrem yang serupa dengan yang ditemukan di dalam planet dan bintang raksasa, kami dapat mengamati perubahan sifat material dan struktur elektron yang tidak ditangkap oleh model saat ini,” kata Dubner. “Pekerjaan kami membuka cakrawala baru untuk mempelajari dan memodelkan perilaku materi di bawah tekanan ekstrem. Ionisasi dalam plasma padat adalah faktor kunci karena memengaruhi persamaan keadaan, sifat termodinamika, dan transpor radiasi melalui opasitas.”

Penelitian ini juga memiliki implikasi penting untuk eksperimen fusi pengurungan diri di NIF, di mana penyerapan sinar-X dan tunability merupakan faktor kunci untuk mengoptimalkan eksperimen fusi performa tinggi. Pemahaman komprehensif tentang ionisasi karena tekanan dan suhu sangat penting untuk memodelkan bahan terkompresi dan pada akhirnya untuk mengembangkan sumber energi bebas karbon yang berlimpah melalui fusi nuklir yang digerakkan oleh laser, kata Dubner.

“Kemampuan unik dari National Ignition Facility tidak tertandingi. Hanya ada satu tempat di Bumi di mana kita dapat membuat, mempelajari, dan memantau kompresi intens inti planet dan interior bintang di laboratorium, dan itu adalah laser terbesar di dunia,” kata Bruce Remington, program NIF Discovery Science Dan yang paling aktif. pemimpin. “Dibangun di atas dasar penelitian sebelumnya di NIF, karya ini memperluas batas-batas astrofisika laboratorium.”

Referensi: “Pengamatan awal delokalisasi K-shell akibat tekanan” oleh T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol, dan RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer dan DO Gericke, 24 Mei 2023, Tersedia Di Sini. alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

Dipimpin oleh Dubner, tim peneliti LLNL termasuk rekan penulis Benjamin Bachmann, Laurent Devol, Otto Landin, Michael McDonald, Alison Saunders, dan Phil Stern.

Penelitian perintis ini merupakan hasil kolaborasi internasional untuk mengembangkan hamburan sinar-X Thomson di NIF sebagai bagian dari Program Penemuan Sains di LLNL. Kolaborator termasuk ilmuwan dari SLAC National Accelerator Laboratory, University of California Berkeley, University of Rostock (Jerman),[{” attribute=””>University of Warwick (U.K.), GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Germany), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Germany), University of Lyon (France), Los Alamos National Laboratory, Imperial College London (U.K.) and First Light Fusion Ltd. (U.K.).