Lasergetriebene Implosion erzeugt extrem starke Magnetfelder

OSAKA / LONDON (IT BOLTWISE) – Forscher der Universität Osaka in Japan haben eine neue Methode entwickelt, um extrem starke Magnetfelder im Labor zu erzeugen, die normalerweise nur in astrophysikalischen Jets und stark magnetisierten Neutronensternen vorkommen.

Die Erzeugung von Magnetfeldern im Megatesla-Bereich ist ein bedeutender Fortschritt in der Physik, der es ermöglicht, astrophysikalische Phänomene im Labor nachzubilden. Forscher der Universität Osaka haben eine innovative Methode entwickelt, bei der extrem kurze, intensive Laserpulse in ein hohles Rohr mit sägezahnartigen Innenklingen geleitet werden. Diese Technik, eine verbesserte Version der etablierten “Mikroröhren-Implosion”, könnte genutzt werden, um Effekte zu imitieren, die in verschiedenen Hochenergiedichteprozessen auftreten, darunter nichtlineare Quantenphänomene und Laserfusion.

Frühere Forschungen haben gezeigt, dass ultra-intensive Femtosekundenlaser Magnetfelder mit Stärken von bis zu mehreren Kilotesla erzeugen können. Die Kombination fortschrittlicher Lasertechnologien mit komplexen Mikrostrukturen verspricht nun, diese Grenze in den Megatesla-Bereich zu verschieben. Bei der Mikroröhren-Implosion werden Femtosekunden-Laserpulse mit Intensitäten zwischen 10^20 und 10^22 W/cm² auf ein hohles zylindrisches Ziel gerichtet, was ein Plasma heißer Elektronen erzeugt, das ein Scherfeld entlang der Innenwand des Rohrs bildet.

Ein wesentlicher Vorteil der neuen Methode von Masakatsu Murakami und seinem Team ist, dass sie auf ein kilotesla-starkes Saatfeld verzichten kann, das bisher für die Mikroröhren-Implosion erforderlich war. Stattdessen wird ein mikrometergroßer Zylinder mit einer periodisch geneigten Innenfläche verwendet, die sägezahnförmige Klingen enthält. Diese geometrische Asymmetrie führt dazu, dass das implodierende Plasma asymmetrisch wirbelt und zirkulierende Ströme in der Nähe seines Zentrums erzeugt. Diese selbst erzeugten Schleifenströme erzeugen dann ein intensives axiales Magnetfeld im Gigagauss-Bereich.

Die Forscher nutzten “Particle-in-Cell”-Simulationen mit dem vollrelativistischen EPOCH-Code auf dem SQUID-Supercomputer in Osaka, um zu zeigen, dass solche Wirbelstrukturen und das damit verbundene Magnetfeld aus einem selbstkonsistenten positiven Rückkopplungsmechanismus entstehen. Diese Methode bietet eine kompakte Möglichkeit, extreme Magnetfelder zu erzeugen und zu untersuchen, und könnte kontrollierte Studien stark magnetisierter Plasmen und relativistischer Teilchendynamik ermöglichen.

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