Distribution initiale de la vitesse des électrons (EVD) du plasma d'hélium à ionisation induite par champ optique (OFI). EVD (A) pour la polarisation circulaire (CP) et (B) pour l'impulsion laser à polarisation linéaire (LP) à partir de simulations 3D OSIRIS. Les lignes bleues continues dans (A) et (B) montrent les distributions projetées. Dans le cas CP (A), la distribution projetée s'écarte significativement d'une distribution maxwellienne ayant la même température quadratique moyenne (rms) de 470 eV, comme le montre la ligne pointillée rouge. Dans le cas LP (B), la distribution projetée peut être bien approchée par une distribution à deux températures (1D maxwellienne) avec THe1+=60eV et THe2+=60eV =214 eV. Les lignes bleues en (C) et (D) montrent le spectre TS mesuré pour CP (C) et LP (D) pour une densité de plasma initialement assez faible de 6,6 × 1017 cm−3. Les lignes pointillées rouges dans (C) et (D) correspondent au spectre mesuré. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax4545
Les instabilités cinétiques résultent généralement des distributions de vitesse des électrons anisotropes (propriétés différentes dans différentes directions) dans l'ionosphère, plasmas cosmiques et terrestres. Mais jusqu'à présent, seule une poignée d'expériences ont validé cette théorie. Des impulsions laser ultrarapides peuvent être utilisées lors de l'ionisation du champ optique des atomes pour générer des plasmas avec des distributions de vitesse des électrons anisotropes connues pour comprendre le phénomène dans la pratique. Dans une étude récente, Chaojie Zhang et une équipe de recherche interdisciplinaire dans les départements de génie électrique et informatique, et la physique et l'astronomie aux États-Unis, ont montré que le plasma subissait une filamentation à deux flux après l'ionisation, mais avant la thermalisation par collision des électrons constitutifs.
Ils ont observé des instabilités de Weibel (présentes dans un plasma homogène ou presque homogène) qui isotropaient (propriétés similaires dans toutes les directions) les distributions d'électrons. Les chercheurs ont mesuré la fréquence et les taux de croissance dépendant de la polarisation de ces instabilités cinétiques à l'aide de la diffusion Thomson (TS) d'un laser sonde, ce qui est bien en accord avec la théorie cinétique et les simulations. L'équipe de recherche a démontré une plate-forme de laboratoire facilement déployable pour étudier les instabilités cinétiques dans le plasma; les résultats sont maintenant publiés dans Avancées scientifiques .
Les plasmas sont sensibles aux instabilités cinétiques lorsque la distribution de la vitesse de ses électrons constitutifs du plasma, ions ou les deux deviennent non thermiques. Les physiciens peuvent valider expérimentalement la théorie de ces instabilités s'ils ont une connaissance directe des fonctions de distribution de vitesse initiale de ces espèces de plasma. Avec l'avènement des impulsions ultracourtes intenses, lasers proche infrarouge, les chercheurs ont ionisé des atomes et/ou des molécules d'un gaz en quelques cycles laser pour générer des fonctions de distribution de la vitesse des électrons (EVD) anisotropes ou non thermiques. Le processus est connu sous le nom d'ionisation induite par champ optique ou tunnel (OFI). La capacité d'initier des fonctions de distribution de vitesse permettra aux chercheurs de tester quantitativement la théorie cinétique des plasmas sur des échelles de temps ultrarapides, avant les collisions électron-électron (e-e) et la thermalisation ionique. Cependant, les mécanismes et l'échelle de temps dans lesquels les électrons du plasma ont évolué d'un état anisotrope à un état thermique restent un problème expérimental non résolu en science fondamentale.
Des simulations 2D montrent des instabilités de flux cinétique et de filamentation déclenchées par OFI dans un plasma d'hélium. Le plasma (ne =5 × 1018 cm−3) est ionisé par un laser CP (τ =50 fs, w0 =8 µm, I =1,6 × 1017 W/cm2). Le champ Ey, Champ Bx, et les fluctuations de densité associées à l'instabilité sont montrées en (A), (B), et C), respectivement. (D) et (E) sont des zooms sur les régions marquées par les cases en (C). L'espace k correspondant de ces fluctuations de densité est montré dans (F) et (G), où les deux points marquent le k des ondes mesurées expérimentalement et où la sonde de 400 nm (800 nm) est utilisée pour les impulsions de pompe CP (LP). (H et I) et (J et K) montrent l'espace de phase transverse des électrons He1+ et He2+ ionisés par les lasers CP et LP, respectivement. Ces résultats sont issus de simulations avec des résolutions plus élevées. Les barres de couleur représentent la densité des électrons [en unités arbitraires (a.u.)]. La boîte de simulation a une largeur de 35 µm en y. Parce que le laser n'ionise que les 20 µm centraux de He, une fenêtre de 30 m est représentée sur ces tracés. Dans tous les cas, les électrons à l'intérieur d'une plaque Δz =2-μm à z =20 μm sont utilisés pour montrer l'espace des phases. (H) et (I) sont pris 0,14 ps tandis que (J) et (K) sont pris 1,9 ps après que le laser a passé la dalle. Les lignes pointillées grises marquent les emplacements des gaines minces. La direction des flèches indique le décalage des distributions de quantité de mouvement. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax4545
En raison de la très large gamme de situations qui donne lieu à des instabilités cinétiques, y compris les flashs de rayons gamma, plasmas électron-positon, champs magnétiques, synchrotrons à protons, couronne solaire et milieux interplanétaires. Un corpus volumineux de travaux théoriques existe sur la théorie cinétique des plasmas. Dans ce travail, l'équipe de recherche a d'abord brièvement décrit trois des instabilités cinétiques les plus fréquemment étudiées permises par le plasma OFI pour une étude quantitative en laboratoire. Par exemple, lorsque les électrons du plasma sont composés de deux ou plusieurs flux (faisceaux) co- ou contre-propagatifs, ils peuvent devenir instables. Alors qu'il existe de nombreux travaux théoriques sur les instabilités cinétiques dans les plasmas, ils doivent encore être vérifiés en laboratoire. Les équipes de recherche avaient auparavant étudié ces instabilités en faisant passer des faisceaux d'électrons relativistes à travers des plasmas ou en créant deux plasmas interpénétrés.
Dans ce travail, Zhang et al. ont montré qu'un plasma d'hélium OFI (ionisation induite par champ optique) ultrarapide avec une distribution connue de la vitesse des électrons anisotrope (EVD) dépendant de la polarisation était sensible au flux cinétique, instabilités de filamentation et de filamentation de type Weibel. Ils ont mesuré les taux de croissance et les fréquences de ces instabilités en utilisant la diffusion Thomson résolue en temps. Ils ont comparé les mesures à des simulations informatiques autocohérentes (exactes) de particules dans la cellule (PIC) et à la théorie par la suite, et a observé un bon accord.
Diagramme de diffusion de Thomson (TS) et exemples de spectres TS mesurés. (A) diagramme de correspondance k où un plasma d'hélium produit par un 50-fs, Le laser à pompe CP (LP) à 800 nm est diagnostiqué par un laser à 400 nm, sonde 1 (800 nm, sonde 2) laser traversant le plasma avec un retard variable. Les spectres TS résolus en temps mesurés sont indiqués en (B) et (C) pour les pompes CP et LP, respectivement. Notez que les échelles de temps pour les deux polarisations sont différentes. Les lignes pointillées marquent la position de la fréquence plasma attendue correspondant à la densité plasma. L'ensemble de données est obtenu en scannant le timing par pas de 50 à 200 fs, et chaque étape est la moyenne de 20 événements de diffusion individuels. Le temps t =0 est défini comme le moment où la pompe et la sonde se chevauchent (déterminé en localisant la position du front d'ionisation vu dans un shadowgramme formé par la sonde au même endroit que le faisceau de la sonde). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax4545
Dans les expériences et les simulations, l'équipe a initialisé les fonctions EVD (distribution de la vitesse des électrons) anisotropes en ionisant le premier et le deuxième électron d'hélium (He) à l'aide d'impulsions laser Ti-Saphir polarisées circulairement (CP) ou linéairement (LP). Ils ont surveillé le potentiel d'ionisation de l'électron en tant qu'intensité laser requise pour ioniser plus de 90 pour cent des atomes d'He via un mécanisme d'effet tunnel développé ailleurs. Lors des expérimentations, la fonction EVD du deuxième électron He était « plus chaude » que celle du premier électron He. Zhang et al. obtenu les résultats après le passage d'impulsions linéaires d'une simulation 3D de particules dans la cellule (PIC), qu'ils ont construit en utilisant le code OSIRIS. La distribution de la quantité de mouvement des électrons ressemblait à une forme de « double beignet » pour les lasers à polarisation circulaire (CP) et à une distribution à deux températures dans la direction des lasers à polarisation linéaire (LP). Ils ont confirmé que les plasmas ainsi produits avaient des fonctions EVD. Les valeurs mesurées par l'équipe de recherche concordaient parfaitement avec les valeurs attendues de la simulation PIC.
L'équipe de recherche a ensuite utilisé des simulations 2D des instabilités de flux cinétique et de filamentation déclenchées par l'ionisation de champ optique (OFI) dans un plasma d'He. Par conséquent, l'instabilité du flux et de la filamentation a commencé à croître immédiatement après la création du plasma. Ils ont observé que l'instabilité du flux finissait par saturer et s'atténuer très rapidement et Zhang et al. on s'attend donc de la même manière à ce que l'instabilité de filamentation ait un comportement temporel comparable. Aux stades ultérieurs, L'instabilité de filamentation de type Weibel entraînée par une anisotropie de température réduite mais finie des électrons a commencé à dominer dans le plasma.
Evolution de l'anisotropie en température du plasma OFI. La rangée supérieure (inférieure) de (A) montre la fonction de distribution py (pz) des électrons à t =0, 1, et 6 ps. La ligne grise en pointillés est un ajustement gaussien à la distribution. La distribution initiale peut être approchée par quatre faisceaux maxwelliens dérivants dans le plan transversal comme indiqué par la ligne rouge et les flèches. La ligne pointillée rouge est un ajustement gaussien à la distribution pz. (B) La ligne bleue montre l'anisotropie de la même simulation qu'en (A), qui n'inclut pas les collisions. La ligne rouge montre la simulation de l'évolution de l'anisotropie d'un plasma préionisé avec seulement les collisions de Coulomb incluses. (C) L'énergie moyenne du champ magnétique en fonction du temps montre deux phases de croissance distinctes correspondant aux régimes de filamentation et de Weibel, respectivement. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax4545
Pour obtenir de plus amples informations sur l'instabilité cinétique, Zhang et al. sondé un vecteur d'onde. Pour ça, ils ont utilisé un laser à 400 nm ou un laser à 800 nm avec une bande passante de 5 nm et une largeur d'impulsion de 100 femtosecondes (fs) et ont sondé les composants électrostatiques des instabilités du plasma. Ils ont mesuré les spectres et observé deux caractéristiques notables. En premier, la caractéristique électronique a grandi et s'est saturée pour s'amortir dans un laps de temps beaucoup plus court que le temps de la collision électron-électron. Prochain, le décalage spectral de la caractéristique électronique a montré un comportement anormal par rapport à l'onde de Langmuir habituelle (oscillations électrostatiques du plasma). La fréquence maximale de la caractéristique électronique et l'existence de la caractéristique de fréquence zéro étaient des preuves essentielles pour Zhang et al. pour corroborer le streaming et les instabilités filamenteuses dans la configuration. L'équipe de recherche a étudié la diffusion en continu, filamentation et instabilités de Weibel induites par les lasers à polarisation circulaire largement au sein du système expérimental.
Les scientifiques ont également suivi l'évolution des distributions de vitesse des électrons et l'anisotropie de température de l'ionisation du champ optique dans une simulation 2D. Ils ont systématiquement modélisé l'ionisation et l'évolution du plasma dans la simulation tout en excluant les collisions de Coulomb pour isoler l'effet des instabilités sur l'anisotropie de la température. Ils ont observé des instabilités cinétiques dans les expériences, grâce à quoi l'anisotropie du plasma chute rapidement.
Instabilités dans un plasma ionisé par un laser LP. (A) Évolutions mesurées (bleu) et simulées (rouge) de l'amplitude des fluctuations de densité électronique de l'instabilité du streaming. (B) L'amplitude mesurée du mode de fréquence zéro en fonction du temps, affichant un comportement oscillatoire avec une période acoustique grossièrement ionique. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax4545
Comme l'instabilité de Weibel est saturée dans la simulation, les champs magnétiques se sont auto-organisés en une structure quasi-hélicoïdale comme prédit ailleurs. En utilisant d'autres simulations, Zhang et al. ont confirmé que les collisions d'électrons ne jouaient pas un rôle significatif pendant les 10 premières picosecondes après la formation du plasma. Pendant ce temps, les instabilités cinétiques dominaient l'isotropisation du plasma, cependant, les collisions finiront par thermaliser le plasma.
L'équipe de recherche a également étudié les instabilités cinétiques induites par les lasers à polarisation linéaire, qui a montré des résultats contrastés avec les lasers à polarisation circulaire. Dans ce cas, l'instabilité était provoquée par les électrons réfléchis, qui se sont propagées par des électrons plus lents. Le spectre de fréquence du mode était plus étroit qu'avec les lasers CP. Le processus expérimental a également pris plus de temps pour que l'instabilité du flux augmente et sature. Zhang et al. ont observé un accord remarquable entre les mesures et la simulation.
De cette façon, Chaojie Zhang et ses collègues ont montré la possibilité de générer des EVD « concepteurs » en utilisant une combinaison de conditions comprenant différentes polarisations, longueurs d'onde, profils d'intensité et milieux ionisants. L'équipe a contrôlé la vitesse de dérive et les températures transversales des flux en modifiant l'ellipticité de polarisation pour supprimer les instabilités de flux ou de filamentation. Les chercheurs ont montré que les plasmas OFI ultrarapides étaient non thermiques avec une grande anisotropie de vitesse. Les plasmas ont subi des flux et des instabilités filamenteuses, suivie d'une instabilité de filamentation de type Weibel pour isotropiser le plasma. Lorsqu'ils ont mesuré la fréquence et le taux de croissance dépendant de la polarisation de ces instabilités cinétiques, les résultats concordent bien avec la théorie cinétique et les simulations. L'équipe de recherche a ainsi développé et démontré une plateforme facilement déployable pour étudier les instabilités cinétiques du plasma en laboratoire.
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