Hliník „průhledný“ jako ve Star Treku

Začal-li čtenář na základě titulku této zprávy a vzpomínek na sci-fi film „Star Trek IV: Návrat domů“ zvažovat výměnu skleněných tabulek v oknech svého domku či bytu za zmíněnou novinku, bude následujícími řádky patrně poněkud zklamán. Experiment, provedený na laseru s volnými elektrony FLASH (Free-electron LASer in Hamburg) skupinou vědců z deseti zemí, s účastí týmu pracovníků oddělení laserového plazmatu a oddělení rentgenových laserů Fyzikálního ústavu AV ČR, v.v.i., sice ukázal výrazný nárůst propustnosti hliníkové fólie pro záření při vysokých intenzitách, ovšem v měkkém rentgenovém oboru spektra. Laser pracoval na vlnové délce 13,5 nm, která je 30-50krát kratší než vlnové délky světla viditelného lidským okem. Spíše než ve stavebnictví nebo letectví se tedy tento objev uplatní v planetologii a astrofyzice, při výzkumu a vývoji možností realizace inerciální termojadené fúze a v dalších vědeckých a technických oborech vyžadujících simulaci prostředí o velmi vysoké hustotě energie v laboratorních podmínkách. Experiment spočíval v soustředění ultrakrátkých (doba trvání se pohybuje v desítkách femtosekund, což je řádově 10-14 sekundy) pulzů obřího rentgenového laseru na povrch tenké hliníkové fólie do oblasti, jejíž průměr je jen asi jedna tisícina milimetru. Laser je při tom naladěn na vlnovou délku, na níž vyrazí elektron přednostně z L slupky hliníku. Intenzita záření je ve fokusu svazku tak vysoká (> 1016 W/cm2), že určitá část fotonů rychle vytrhá z atomů hliníku téměř všechny elektrony s příslušnou vazebnou energií. Zbývající fotony laserového pulzu již nemají co ionizovat a proletí vzorkem, aniž by se v něm měly čeho zachytit. Počet fotonů prošlých fólií se měří polovodičovou fotodiodou a strmě roste s intenzitou záření. Tak se nám ozářený kov jeví jako „průhledný“ v měkkém rentgenovém oboru. Kromě podílu na vlastní realizaci experimentu, spočívá specifický přínos českých badatelů (L. Juha, J. Chalupský, V. Hájková, M. Kozlová, J. Cihelka, T. Burian) především v uplatnění originální metody stanovení parametrů pole záření při interakci z „otisku“ svazku ve vhodném materiálu analyzovaného mikroskopem atomárních sil a Nomarského optickou mikroskopií. Nalezli a na několika typech rentgenových laserů vyzkoušeli postupy umožňující ověřit, zda byl svazek soustředěn skutečně na nejmenší dosažitelnou plošku, a velmi přesně stanovit intenzitu záření v této oblasti. Pro experimenty, sledující závislost určitého jevu na intenzitě rentgenového záření přicházejícího z velmi jasného zdroje, jsou tato zjištění klíčová. Původní sdělení o výsledcích experimentu bylo otištěno v zářijovém čísle významného fyzikálního časopisu Nature Physics. Veřejnosti pak tyto výsledky, především však jejich možné astrofyzikální důsledky, již stačily být představeny v populárně-vědeckých časopisech, jako je například New Scientist, a objevily se i ve wikipedii. Fokusovaný svazek rentgenového laseru totiž vytváří zcela unikátní stav hmoty. Jde o plazma, které je velmi husté, ale teplotu má jen několik desítek tisíc stupňů. Fyzici mluví o tzv. prohřáté husté hmotě – WDM (warm dense matter). Optické lasery dokáží vyrobit WDM jen v několika málo speciálních případech interakce. Rentgenové lasery ji však vytvářejí téměř vždy, a to tím, že dokáží prohřát objem energetizované látky. Nejen její povrch, jako optické lasery. WDM se nachází v nitru velkých planet (např. Jupitera) a v dalších vesmírných objektech (např. hnědých a bílých trpaslících). Z aktuálních problémů řešených na Zemi hraje WDM významnou roli při inerciální termojaderné fúzi, kdy vzniká po prvotním stlačení a v raných fázích ohřevu termojaderného paliva. Prohloubení našich znalostí o chování WDM je jednou z nutných podmínek dalšího pokroku na poli termojaderné energetiky. Práce se nyní přesouvají z Evropy do USA, kde byl v dubnu uveden do provozu rentgenový laser LCLS (Linac Coherent Light Source) pracující na vlnových délkách výrazně kratších než FLASH. V září realizovali v Kalifornii zmínění čeští vědci ve spolupráci se svými americkými, německými a polskými kolegy první interakční experimenty s rekordně intenzivními pulzy fotonů o energiích několika kiloelektronvoltů, v nichž lze vytvářet WDM v širokém rozsahu vlastností. (Odkazujeme na na http://today.slac.stanford. edu/feature/2009/lcls-lettering.asp) Závěrem zmiňme finanční aspekt celé věci, neboť peníze, jak známo, jsou až na prvním místě. Již při prvním pohledu na užívaná zařízení čtenáře napadne, že výzkum tohoto typu nebude laciná záležitost. Pomineme-li miliardy dolarů, vynakládané na výstavbu rentgenových laserů s volnými elektrony, jsou i jejich provozní náklady ohromující – pohybují se v řádu stovek tisíc dolarů denně. Toto břemeno ovšem nese americký, německý, resp. japonský daňový poplatník. V tomto srovnání se příspěvek z české státní pokladny může jevit jako spíše symbolický. Při hodnocení efektivity využití národních prostředků bychom měli mít na paměti i to, jaký objem peněz se na ně „nabaluje“ v zahraničí. Tento faktor je dobře patrný např. ve fyzice elementárních částic a vysokých hustot energie nebo při výzkumu vesmíru, tedy právě v těch oborech, jejichž výsledky stávající metodika RVVI nivelizuje. Andrea Cejnarová