大阪大学，米ネバダ大学，高輝度光科学研究センター，理化学研究所，米SLAC国立加速器研究所，加アルバータ大学，米ローレンス・リバモア国立研究所，米ロチェスター大学は，X線自由電子レーザー施設SACLAによる高速イメージングにより，高強度レーザーにより加熱された固体の銅薄膜内部のプラズマへの遷移過程を捉えることに成功した（ニュースリリース）。

高強度短パルスレーザーは，物質を1/100兆秒で数百万度から一億度まで一気に加熱できる。加熱時間が短いため，物質は固体密度を維持したままプラズマへ相転移し，太陽内部以上の高エネルギー密度状態になる。

このような超高速加熱を等積加熱と呼び，既知の密度の値をもつ非平衡輻射プラズマを生成できる。これらのプラズマは，状態方程式や熱伝導，X線吸収過程などの原子過程の研究やレーザー核融合の基礎研究のプラットフォームとして利用されている。

しかし，この加熱現象は，現象の時定数の短さと加熱領域がミリメートル以下と小さいため，現象の詳細を捉えることが難しかった。特に密度が高い固体や高密度プラズマの内部を診断するための高空間・時間分解計測手法の開発が求められていた。

研究グループは，高強度短パルスレーザーにより生成された高速電子が，固体の銅薄膜を等積加熱する様子を，高空間・時間分解能を有するX線自由電子レーザーを用いて超高速撮影した。レーザーが照射された銅薄膜を，1/100兆秒のX線パルスで撮影すると，加熱された領域のX線の透過率の変化が観測された。

この加熱領域の時間変化は，2つのレーザーのタイミングを変えることで捉えられ，最終的に銅薄膜表面が変形することで現れる干渉縞も撮影された。これらの結果は，銅薄膜が加熱され，平衡状態に至り，その後冷却される時間発展を詳細に捉えたもの。

さらに，X線の光子エネルギーを変化させて得られた実験データと，高強度レーザーと物質の相互作用をシミュレーションした結果を比較した。衝突過程やイオン化過程を組み入れたプラズマ粒子シミュレーションによる解析により，レーザーが照射され高温・高イオン化された状態の領域と，高速電子が伝搬したレーザースポット周辺領域は異なる状態にあり，周辺部は低温でイオン化が進んだ縮退状態のプラズマ遷移状態であることが明らかになった。

これらの結果は，「高速電子による加熱」＝「電子温度の上昇」という従来の考え方と異なり，非平衡プラズマでは，温度とイオン化の上昇が異なり独立していることを示唆するもの。

研究グループは，こさらなる高エネルギー密度科学，レーザーフュージョンエネルギーを目指した応用が期待される成果だとしている。