Medan intensiva magnetfält genereras naturligt av neutronstjärnor, forskare har strävat efter att uppnå liknande resultat i många år. UC San Diegos mekaniska och rymdtekniska doktorand Tao Wang visade nyligen hur ett extremt starkt magnetfält, liknande den på ytan av en neutronstjärna, kan inte bara genereras utan också detekteras med hjälp av en röntgenlaser inuti ett fast material.

Wang utförde sin forskning med hjälp av simuleringar utförda på Comet-superdatorn vid San Diego Supercomputer Center (SDSC) samt Stampede och Stampede2 vid Texas Advanced Computing Center (TACC). Alla resurser är en del av ett National Science Foundation-program som kallas Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).

"Wangs resultat var avgörande för vår nyligen publicerade studies övergripande mål att utveckla en grundläggande förståelse för hur flera laserstrålar av extrem intensitet interagerar med materia, sa Alex Arefiev, en professor i mekanisk och rymdteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Wang, Arefiev, och deras kollegor använde flera stora tredimensionella simuleringar, fjärrvisualisering, och efterbearbetning av data för att slutföra sin studie, som visade hur en intensiv laserpuls kan fortplanta sig in i det täta materialet på grund av dess relativistiska intensitet.

Med andra ord, när elektronernas hastighet närmar sig ljusets hastighet, deras massa blir så tung att målet blir genomskinligt. På grund av transparensen, laserpulsen trycker på elektronerna för att bilda ett starkt magnetfält. Denna styrka är jämförbar med den på en neutronstjärnas yta, som är minst 100 miljoner gånger starkare än jordens magnetfält, och ungefär tusen gånger starkare än fältet för supraledande magneter.

Fynden publicerades i en Plasmas fysik tidskriftsartikel med titeln "Structured Targets for Detection of Megatesla-level Magnetic Fields Through Faraday Rotation of XFEL Beams."

"Nu när vi har slutfört denna studie, vi arbetar på sätt att upptäcka denna typ av magnetfält vid en unik anläggning som kallas European X-Ray Free Electron Laser (XFEL), som omfattar en 3,4 kilometer lång accelerator som genererar extremt intensiva röntgenblixtar som kan användas av forskare som vårt team, " förklarade Arefiev.

Beläget i Schenefeld, Tyskland, Europeiska XFEL är arbetsplatsen för Toma Toncian, där han leder projektgruppens konstruktion och driftsättning av Helmholtz International Beamline for Extreme Fields vid instrumentet High Energy Density. Han är också medförfattare till den nyligen publicerade studien.

"Det mycket givande samarbetet mellan UC San Diego och Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf banar vägen för framtida experiment med hög effekt, ", sa Toncian. "När vi nu för tiden går från konstruktion till driftsättning och första experiment, de teoretiska förutsägelserna från Tao Wang är lägliga och visar oss hur vi kan vidareutveckla och fullt ut utnyttja vårt instruments kapacitet."

Enligt Mingsheng Wei, en senior forskare vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics och medförfattare till tidningen, "den innovativa mikrokanalmåldesignen som utforskades i simuleringsarbetet kunde demonstreras med det nya lågdensitetspolymerskummaterialet som bara är några gånger tyngre än den torra luften i mikrostrukturerade rör."

"Eftersom de resulterande datamängderna för våra experiment med XFEL är mycket stora, vår forskning skulle inte ha varit möjlig på ett vanligt skrivbord – vi hade inte kunnat slutföra denna studie utan användning av XSEDE-superdatorer, " sa Arefiev. "Vi är också mycket tacksamma mot Air Force Office of Scientific Research för att de har gjort detta projekt möjligt."

Arefiev sa att deras grupps ansträngningar för användning av superdatorer var beroende av Amit Chourasias vägledning, SDSC:s senior visualiseringsforskare, som hjälpte till att sätta upp fjärrstyrda parallella visualiseringsverktyg för forskarna.

"Det är fantastiskt att arbeta tillsammans med forskargrupper och utrusta dem med kraftfulla metoder, verktyg, och en genomförandeplan som i sin tur driver deras forskning i snabbare takt med hjälp av HPC och visualisering, det är vi tacksamma för att kunna spela en roll för att möjliggöra nya upptäckter, sa Chourasia.