Tese Mestrado

Time-resolved studies of Warm Dense Titanium: A Bayesian search of coupling parameters

Sebastião Baptista Antunes

Segunda-feira, 28 de Novembro de 2022 das 14:00 às 16:00
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Sala P3, Piso 1- Pavilhão de Matemática

Plasmas densos e fortemente acoplados são difíceis de modelar graças à dificuldade de tratar as interações quânticas entre muitos corpos a temperaturas elevadas. As colisões electrão-electrão (e-e) e eletrão-ião (e-i) que determinam as propriedades básicas do plasma são difíceis de calcular. Além disso, isolar e medir as diferentes taxas de espalhamento em equilíbrio térmico é impossível. Aqui descrevemos uma experiência de "pump-probe" de femtossegundos em que se transforma uma amostra sólida num plasma para medir os acoplamentos e-e e e-i.

Uma configuração experimental, que consiste num impulso de laser infravermelho ultracurto (〖10〗^14 W/〖cm〗^2, 50 fs, 800 nm), foi usada para criar plasmas de densidade sólida, com dezenas de eV de temperatura, na profundidade de penetração do Titânio. A estrutura eletrónica da amostra aquecida foi sondada com um impulso XUV de energia próxima da borda de absorção M_2,3. O perfil espacial dos impulsos XUV transmitidos foi gravado numa única medição com uma resolução de 10 μm, e foi resolvido espacialmente em intervalos de 50 fs, para um total de dezenas de picossegundos. Um mapa da transmissão XUV para fluências variáveis do laser foi então registado em cada aquisição. Os resultados mostram uma primeira excitação eletrónica do laser que dá lugar (no regime dos picossegundos) ao processo de equilibração e-i, com arrefecimento dos eletrões e recuperação da transmissão.

Para interpretar os dados experimentais referentes ao primeiro picossegundo, um modelo foi construído usando teoria cinética de quântica. Assumiu-se um potencial de Coulomb blindado, aquecimento uniforme durante a profundidade de penetração, e um gás de eletrões quase livre a interagir com centros fixos de colisão e outras partículas de gás. Para a resposta temporal mais longa foi utilizado um modelo de duas temperaturas.

Por fim, foi realizada uma busca usando um algoritmo de Monte Carlo para estimar a distribuição posterior dos parâmetros livres. Esta abordagem permite contabilizar adequadamente as múltiplas contribuições de primeira ordem, as suas correlações e uma melhor compreensão do espaço paramétrico.

A partir do modelo de Boltzmann, pudemos concluir que a termalização e-e é rápida, o que valida a hipótese usada no modelo de duas temperaturas de que o equilibrio e-e é estabelecido instantaneamente. Encontraram-se correlações entre os parâmetros do modelo de duas temperaturas, que mostram que um parâmetro de acoplamento e-i constante pode ser uma suposição eficaz numa gama de parâmetros ampla, se tal constante for ajustada para a intensidade do "pumping". Uma correlação positiva foi encontrada entre ε_t e δ_s/δ_0 e correlações negativas prevalecem entre δ_s/δ_0 e G_ei/G_ei^0 e m_eff/m_eff^0. Em geral, um modelo semelhante a um gás de eletrões livre e o modelo de duas temperaturas parecem descrever bem os dados. Os valores de G_ei aumentam com a temperatura eletrónica, no domínio que sondamos, mas mantiveram-se na faixa dos valores publicados anteriormente.