Un laser trasforma il metallo in plasma stellare in pochi trilionesimi di secondo
Un gruppo di ricercatori è riuscito a filmare il momento esatto in cui un laser ad alta potenza colpisce un filo di rame e lo trasforma in plasma, quello stato estremo della materia fatto di particelle cariche a temperature di milioni di gradi. Il tutto avviene in trilionesimi di secondo, una scala temporale così ridotta da sembrare quasi inconcepibile. Eppure, grazie alla combinazione di due sistemi laser all’avanguardia, gli scienziati dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sono riusciti a catturare ogni fase di questo processo con un livello di dettaglio mai raggiunto prima. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, apre scenari concreti per il futuro della fusione laser.
Ma come funziona, in pratica? Il primo laser ottico ad alta intensità colpisce un sottilissimo filo di rame, spesso circa un settimo di un capello umano, scaricando un’energia mostruosa: circa 250 trilioni di megawatt per centimetro quadrato concentrati in un istante brevissimo. Condizioni del genere, normalmente, si trovano solo in ambienti cosmici estremi, vicino a stelle di neutroni o durante esplosioni di raggi gamma. Il rame si vaporizza all’istante e si forma un plasma a milioni di gradi, con gli atomi che perdono decine di elettroni e diventano ioni altamente carichi. A quel punto entra in gioco il secondo laser, un impulso di raggi X generato dallo European XFEL, che funziona come una sorta di flash fotografico ultraveloce. Registrando l’interazione tra questi raggi X e il plasma, i ricercatori hanno ottenuto una sequenza di istantanee, fotogramma dopo fotogramma, dell’evoluzione del plasma stesso.
Ioni di rame con 22 elettroni in meno: la precisione che non esisteva
Gli impulsi X sono stati calibrati per interagire con gli ioni Cu²²⁺, cioè atomi di rame che hanno perso ben 22 elettroni. L’energia dei fotoni, pari a 8,2 kiloelettronvolt, corrisponde esattamente a una specifica transizione elettronica di questi ioni, un fenomeno noto come assorbimento risonante. Dopo aver assorbito i raggi X, gli ioni emettono a loro volta una radiazione X caratteristica, e proprio misurando questa emissione stimolata nel tempo i ricercatori hanno potuto contare quanti ioni Cu²²⁺ fossero presenti nel plasma in ogni istante.
I risultati raccontano una storia chiara e rapida. Subito dopo l’impatto del laser, gli ioni Cu²²⁺ iniziano a formarsi. Il loro numero cresce velocemente e raggiunge il picco dopo circa due picosecondi e mezzo. Poi comincia la ricombinazione: gli elettroni, che nel frattempo si sono propagati come un’onda attraverso il materiale strappando altri elettroni agli atomi vicini, perdono energia e vengono gradualmente ricatturati dagli ioni. Nel giro di una decina di picosecondi, gli ioni altamente carichi scompaiono del tutto e gli atomi tornano a uno stato neutro.
Perché tutto questo conta per la fusione laser
Le simulazioni al computer hanno confermato il quadro sperimentale, aiutando a comprendere la dinamica delle onde di elettroni che guidano l’intero processo di ionizzazione. Ma il punto più interessante riguarda le applicazioni future. La fusione laser si basa proprio su plasmi estremamente caldi riscaldati da laser e dalle conseguenti onde elettroniche. Capire con questa precisione come si forma e si evolve il plasma significa poter affinare le simulazioni necessarie a progettare reattori a fusione laser più efficienti e affidabili.
Nessuno aveva mai osservato questo tipo di ionizzazione con tanta precisione, come hanno sottolineato gli stessi autori dello studio. È il genere di risultato che non cambia il mondo domani mattina, ma che posa un mattone fondamentale per una tecnologia energetica che potrebbe ridefinire il futuro. E tutto parte da un filo di rame più sottile di un capello, colpito da un lampo di luce che dura meno di quanto qualsiasi orologio comune possa misurare.
