Licht kann Materie zerstören. Wer das nicht glaubt, sollte sich vorstellen, was passiert, wenn ein Laser auf einen Kupferdraht trifft, der sieben Mal dünner ist als ein menschliches Haar. Der Draht verdampft augenblicklich. Es entsteht ein Plasma, das mehrere Millionen Grad Celsius heiß ist. Genau diesen Moment haben Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) jetzt so genau beobachtet wie noch niemand zuvor. Ihre Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature Communications.
Elektronen auf der Flucht – und ihre Rückkehr
Was die Forschenden dabei beobachteten, war mit bisher unerreichter Genauigkeit sichtbar. Unmittelbar nach dem Laserblitz entstehen die ersten stark ionisierten Kupferionen. Nach zweieinhalb Pikosekunden, also zweieinhalb Billionstel Sekunden, erreicht ihre Zahl ihren Höchststand. Dann werden die Elektronen wieder eingefangen, und nach etwa zehn Pikosekunden sind keine solchen Ionen mehr nachweisbar.
"So genau hat noch niemand zuvor auf diese Art von Ionisation geschaut", sagt Prof. Tom Cowan, ehemaliger Direktor des Instituts für Strahlenphysik am HZDR. Mithilfe von Computersimulationen konnten die Physiker auch erklären, warum das so abläuft. Der erste Laserpuls entreißt den Kupferatomen nur wenige Elektronen. "Diese sind so energiereich, dass sie sich wie eine Welle ausbreiten und immer mehr Elektronen aus benachbarten Kupferatomen herausschlagen", erklärt er. Danach verlieren die Elektronen ihre Energie, werden wieder eingefangen. Am Ende liegen neutrale Kupferatome vor.
Diese Erkenntnisse sind mehr als reine Grundlagenforschung. Sie helfen zu verstehen, wie sich Materie unter extremen Bedingungen verhält. Genau solche Zustände spielen auch bei der Kernfusion eine Rolle. Dabei verschmelzen Atomkerne und setzen große Mengen Energie frei, die als mögliche klimafreundliche Energiequelle der Zukunft gilt. Damit solche Reaktoren funktionieren, müssen Forschende genau wissen, wie sich Elektronen und Ionen in diesen Plasmen bewegen. Die neuen Messdaten liefern dafür wichtige Bausteine und helfen, die bisherigen Computermodelle deutlich zu verbessern.
Originalpublikation:
L. Huang et al.: Probing ultrafast heating and ionization dynamics in solid density plasmas with time-resolved resonant X-ray absorption and emission, Nature Communications, 2026.
