由大阪大学激光科学研究所的千德靖彦教授与美国内华达大学里诺分校的泽田宽副教授率领的，由日本高辉度光科学研究中心、理化学研究所同步辐射科学研究中心、SLAC国家加速器实验室、阿尔伯塔大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、罗切斯特大学组成的国际合作研究团队，通过X射线自由电子激光SACLA的高速成像，成功捕捉到了经高强度激光加热的固体铜薄膜内部向等离子体转变的过程。该研究成果已发表在期刊《Nature Communications》上。
图1. （a）由高强度短脉冲激光加速的高速电子加热铜薄膜示意图；（b）从固体到高温等离子体的加热过程及测量结果；（c）被激光照射的铜薄膜X射线时间图像（供图：大阪大学）
高强度激光脉冲的加热时间在100万亿分之一秒左右，加热产生的高速电子（几乎以光速运动）的动力学控制着等离子体状态的演变，因此之前没有能够捕捉这一瞬间的手段。
研究团队开发了一种使用X射线自由电子激光（XFEL）的高空间时间分辨率测量技术，并全球首次成功捕捉到了加热的铜薄膜内部向等离子体状态转变的过程。
通过高速电子加热高密度等离子体的物理原理，是实现激光核聚变不可或缺的高效核聚变方式（快速点火方式）的重要相关知识。此外，实验还表明，铜薄膜瞬间向等离子体转变的过程中，会出现一种被称为“固体－等离子体过渡态”的等离子与金属的中间状态。这种状态的物理性质等信息对于了解行星内部以及激光核聚变燃料的状态至关重要。
千德教授表示：“强激光加热物质形成等离子体的过程会在100万亿分之一秒的极短时间内发生，所以此前只能通过数值模拟来了解这一加热过程的细节。此次，我们使用了XFEL这种新型工具，首次成功捕捉到了物质在极短时间内向等离子体转变的情况。作为一名理论研究者，我很高兴看到XFEL的测量结果与我们的预测十分吻合。同时，我们也发现了一些与预测不符的现象，本研究的成果将有助于今后进一步深入理解这一过程。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Spatiotemporal Dynamics of Fast Electron Heating in Solid Density Matter via XFEL
DOI：10.1038/s41467-024-51084-4
