Ionisierungs- und Relaxationsdynamik von Wasserstoff Nanoplasmen

• Antragsteller: Privatdozent Josef Tiggesbäumker, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498124039

Das Projekt zielt darauf ab, in Experimenten zur Laser-Starkfeldwechselwirkung an Wasserstofftropfen, die zeitliche und räumliche Plasmadynamik der Elektronen und Ionen und ihren wechselseitigen Einfluss aufeinander umfassend aufzulösen. Im Hinblick auf unsere bisherigen Arbeiten zur Nanoplasmadynamik an atomarem Helium, ist der Aufbau der Tropfen aus molekularem Wasserstoff ein neuer Aspekt, der im Hinblick auf gepulste Neutronenquellen und die Protonenbeschleunigung sogar anwendungsrelevant sein könnte. Ein Ziel wird es daher sein, insbesondere die Beiträge von H und H$_2$ in den unterschiedlichen Phasen der Plasmaentwicklung mit Hilfe zeitaufgelöster Spektrokopie zu erfassen. Schwerpunkte der Studien zur Ultrakurzdynamik und der Plasmarelaxation sind (i) die Rolle kollektiver und kohärenter Effekte auf die Energieabsorption, den Ionenladungszustand und die Rückstoßenergie, sowie die Elektronenbeschleunigung, (ii) die Elektron-Ionen-Rekombination und der sich anschließende korrelierte Zerfall in der späten Plasmaentwicklung. Aufgrund von charakteristischen Signaturen in der Elektronenemission, ermöglicht die zeitaufgelöste Spektroskopie die Entwicklung des Plasmapotenzials in der Endphase durch die Anwendung von zwei neu entwickelten diagnostischen Verfahren -impeded Auger emission und ransient above threshold ionization- in Echtzeit zu verfolgen.Die weit gesteckten Ziele des Projekts werden in der ersten Stufe durch eine Kontrolle der initialen Bedingungen über die Targetpräparation (Teilchengröße, Fremddotierung) und die Laserbedingungen erreicht. Damit können unterschiedlichste Plasmazustände realisiert werden, die für einen effektiven Aufladungsprozess, auch auf Pump-Probe Anregungen zurückgreifen. Die Szenarien reichen vom quasi-neutralen bis zum vollständig ionisierten Nanoplasma. Diagnostik kommt zum Einsatz, die es erlaubt, die Ionenrückstoßenergien in Abhängigkeit vom Ladungszustand und die Elektronenemission winkelaufgelöst zu erfassen. Die Anwendung der Pump-Probe Technik liefert weiter eine Charakterisierung der Coulombexplosion und, unter Verwendung von Zweifarben-Laserfeldern und phasensensitiver Spektroskopie, eine attosekunden-aufgelöste Analyse der Elektronendynamik auf allen Entwicklungsstufen des Nanoplasmas, also von der Femtosekunden bis zur Nanosekunden Zeitskala. Mit Abschluss des Projekts ergibt sich damit ein umfassendes Bild der Coulomb-Explosion von Wasserstoff-Nanotropfen. Darüber hinaus schießt das Vorhaben die Lücke zwischen den Attosekunden-Experimenten an Atomen, Molekülen und Plasmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen