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alla Macro Area: SORGENTI LUMINOSE INNOVATIVE & FOTONICA ESTREMAalla Linea di Ricerca: Materiali in condizioni di Alta Pressione
Generazione laser di onde d'urto per la fisica delle alte pressioni (FemtoShock)

Questo esperimento infatti segna l'inizio di una nuova linea di ricerca in INO, dove due del gruppo di fisica ad alta pressione, principalmente in base alla cella di diamante anvill (DAC), e quello di sorgenti laser ultraintensi fondono le loro abilità per indagare onde d'urto ultraintensi prodotte in solidi di questo tipo di laser. Si dovrebbe poi produrre in un laboratorio che viene chiamata la materia densa (WDM) regime calda, che è caratterizzato da una densità simile a solido e temperature superiori alla temperatura di Fermi. Una volta accoppiati a sorgenti di raggi X veloci, sia prodotta in un laboratorio o in un sincrotrone, o una risorsa XFEL, microscopici proprietà strutturali e dinamiche di WDM possono essere studiate in situ, fornendo così uno strumento ineguagliabile per svelare la natura di questo stato quasi sconosciuto della materia. Pensiamo questa combinazione di tecniche potrebbe aprire un nuovo campo di ricerca nel prossimo futuro. Su un terreno molto generale, le pressioni questione in estreme e ad alta temperatura è di grande interesse per la fisica di base, chimica e scienza planetaria ed è un gateway per la sintesi di materiali con proprietà uniche. Mentre il limite di elevate pressioni statiche conseguiti nel DAC è oggi vicino al 6-7 Mbar, la frontiera di estremi P-T è continuamente spinto in avanti da laser indotto tecniche urto sondato in situ con sorgenti di raggi X di sincrotrone generazione terzo e quarto. Onde d'urto forti sono efficacemente guidati da lunghi, laser a impulsi nanosecondo ad alta energia che vengono assorbiti nel plasma attraverso processi collisionali. Quando vengono utilizzati impulsi a femtosecondi, grandi correnti di elettroni veloci con decine o centinaia di keV energia sono generati, rendendo generazione scossa inefficiente. Questo scenario cambia drasticamente quando si utilizzano obiettivi nanoingegneria invece di obiettivi piatte (MA Purvis et al., Nat. Photonics 7, 796, 2013). Nel nostro esperimento, abbiamo in programma di utilizzare il laser fs con energia impulsiva di 0,5-10 J e gli obiettivi coperti da uno strato di entrambi i nanofili o nanotubi (figura 1), per la generazione di onde d'urto nel substrato con picchi di pressione di 0,1-1 Gbar. (PIC) simulazioni Particle-in-cell (Purvis et al., 2014) hanno mostrato che l'energia laser viene efficacemente assorbito dalle nanostrutture portano alla generazione di un relativamente spessi (qualche micron) strato di plasma con una temperatura di un pochi keV ed una densità di 10 ^ 23 centimetri ^ -3. Poi, secondo le nostre simulazioni idrodinamiche (S. Atzeni et al., Non pubblicato, 2014, vedi figura 2) questo strato di plasma può agire come un pistone e guidare pressioni nell'intervallo Gbar in maniera simile a come trovata con ns laser. Il ruolo delle nanostrutture qui è duplice. Innanzitutto agiscono sul laser e.m. campo frammentare e limitando generazione di elettroni caldi di altissima energia. Secondariamente forniscono una maggiore superficie di interazione laser-materia efficace che rende l'assorbimento di energia molto più efficiente. Abbiamo anche condotto diversi test sperimentali preliminari (estate 2014) presso l'impianto laser Gemini (RAL UK), che conferma le previsioni di calcolo. Il lavoro ora in corso per la preparazione di misure più accurate e esaustive, in diversi ultraintensi, fs strutture laser compresa quella installata presso INO-Pisa. Il nostro layout tipico sperimentale include diverse tecniche quali: (i) tempo di imaging risolto per il rilevamento della rottura urto attraverso la porta e (ii) spettroscopia a raggi X per misurare temperature del plasma caldo denso alla superficie di interazione laser / mater con temperature del target di massa sotto pressione shock. Un notevole vantaggio di indurre onde d'urto da FS laser anziché ns laser è che un impulso di energia molto inferiore è necessaria a potenza di picco simile e, di conseguenza, questo approccio potrebbe aprire un nuovo percorso per lo studio di materiali ad alta pressione, rendendo questo regime accessibile con sistemi laser CPA compatto, J-class.


Immagini SEM di un insieme di nanotubi di TiO2 (sinistra) e di nanofili di ZnO allineati verticalmente (destra).

simulazioni idrodinamiche tramite codice DUED, dove si mostra la propagazione di un'onda d'urto in un bersaglio solido.
Personale INO:

Dipendenti: Gizzi Leonida Antonio, Cristoforetti Gabriele, Gorelli Federico Aiace, Labate Luca, Macchi Andrea, Ponzoni Andrea, Santoro Mario, Brandi Fernando, Koester Petra

UOS/Laboratorio INO:
Sezione INO di Pisa - "Adriano Gozzini", Sezione INO di Sesto Fiorentino presso il LENS
Area/e Applicativa:
Energia & Ambiente, Produzione Indutriale & Manifatturiera, Ricerca, Istruzione e formazione, Sicurezza, Metrologia & Sensori
Finanziamento da Progetti:
- Title: Calorimetria e spettroscopia per lo studio delle instabilità laser-plasma per la fusione laser in regime di ignizione da onda d'uto (Acronym: PRIN 2009FCC9MS_004 Calorimetria e spettroscopia)
- Title: Extreme Light Infrastructure (Acronym: ELI)
- Title: Laser-driven Shock Waves (Acronym: PRIN 2012AY5LEL_002 LaShoWa)
Principali Prodotti della Ricerca associati:
1) Investigation on target normal sheath acceleration through measurements of ions energy distribution su Review Of Scientific Instruments (2016) di oltre 10 autori inclusi: Brandi Fernando, Palla Daniele, Ferrara Pasquale, Cristoforetti Gabriele, Gizzi Leonida Antonio, Koester Petra, Ferrara Paolo, Labate Luca, Fulgentini Lorenzo (Articolo su Rivista JCR/ISI)
2) Evidence of locally enhanced target heating due to instabilities of counter-streaming fast electron beams su Physics Of Plasmas (2015) di oltre 10 autori inclusi: Gizzi Leonida Antonio, Koester Petra, Levato Tadzio, Labate Luca, Cecchetti Carlo Alberto (Articolo su Rivista JCR/ISI)
3) Laboratory measurements of resistivity in warm dense plasmas relevant to the microphysics of brown dwarfs su Nature Communications (2015) di oltre 10 autori inclusi: Gizzi Leonida Antonio, Koester Petra, Levato Tadzio, Labate Luca (Articolo su Rivista JCR/ISI)
4) Pre-plasma effect on energy transfer from laser beam to shock wave generated in solid target su Physics Of Plasmas (2014) di oltre 10 autori inclusi: Cristoforetti Gabriele, Gizzi Leonida Antonio, Koester Petra, Batani Dimitri, Baffigi Federica, Labate Luca (Articolo su Rivista JCR/ISI)


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