(jtu) Laserinduzierte Plasmen haben zahlreiche Anwendungen in der Kernfusion, der Teilchenbeschleunigung sowie für die Erzeugung von Röntgenstrahlung oder Attosekunden-Pulsen im extremen Ultraviolett. Um die für den jeweiligen Zweck optimalen Eigenschaften einzustellen, bedarf es einer genauen Kenntnis der zeitlichen Entwicklung dieses Zustandes. Martin Centurion, Peter Reckenthäler und Ernst Fill vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching konnten nun mit einer neuartigen Abfrage-Technik die Plasma-Dynamik in Echtzeit verfolgen. Dabei zeigte es sich, dass durch ein so genanntes OFI (durch optische Felder induziertes) -Plasma wider Erwarten hohe elektrische und magnetische Felder aufgebaut werden.
Ein Plasma ist ein heißer und dichter Materiezustand, in dem sich Atome gewissermaßen in ihre Bestandteile - Kerne und Elektronen - aufgelöst haben, sodass positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen gleichberechtigt nebeneinander existieren. Nach gängigen Theorien ist das Innere eines Plasmas ein feldfreier Raum, in dem die elektrischen Ladungen gleichförmig verteilt sind. Nur innerhalb kleinster Dimensionen, der sogenannten Debye-Länge (etwa 0,1 Mikrometer) sollte es zu Fluktuationen von elektrischen Ladungen kommen. Die Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich im Zentrum eines OFI-Plasmas offenbar ein positiv geladener Bereich herausbildet, den eine weit über die Debye-Länge herausreichende Wolke von Elektronen umgibt.
Für diese Beobachtung haben die Wissenschaftler folgende Erklärung: Bereits kurz nach der Erzeugung des Plasmas durch den Laserpuls formt sich im Zentrum ein positiv geladener Bereich, den eine Wolke heißer Elektronen umgibt. Durch diese Ladungstrennung entstehen elektrische und magnetische Felder, die die Elektronen des "Abfragestrahls" so ablenken, dass sich die oben beschriebene Verteilung ergibt. Die Elektronenwolke reicht über das ursprüngliche Plasma hinaus, nach 100 Pikosekunden ist ihr Radius etwa 1000 mal größer als die Debye-Länge. Unter diesen Bedingungen wird der Abfragestrahl jetzt auf das Zentrum des Detektors fokussiert, was das Auftreten des hellen Flecks erklärt.
Numerische Simulationen, die auf diesen Annahmen beruhen, geben die experimentellen Daten gut wieder und erlauben es, Parameter wie Feldstärken, Gesamtladung und Elektronentemperatur zu berechnen. Sie zeigen, dass die beschriebenen Ladungsverteilungen nur dann auftreten können, wenn sich einige der Plasma-Elektronen extrem aufheizen und viel heißer werden als das Plasma selbst. Ein Prozess, der dies bewirken kann, sind Stöße der zurückkehrenden oszillierenden Elektronen mit den Atomkernen.
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