We use particle-in-cell modeling to identify the acceleration mechanism responsible for the observed generation of super-hot electrons in ultra-intense laser-plasma interactions with solid targets with pre-formed plasma. We identify several features of direct laser acceleration that drive the generation of super-hot electrons. We find that, in this regime, electrons that become super-hot are primarily injected by a looping mechanism that we call loop-injected direct acceleration.

1.
E. L.
Clark
,
K.
Krushelnick
,
J. R.
Davies
,
M.
Zepf
,
M.
Tatarakis
,
F. N.
Beg
,
A.
Machacek
,
P. A.
Norreys
,
M. I. K.
Santala
,
I.
Watts
, and
A. E.
Dangor
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
670
(
2000
).
2.
A.
Maksimchuk
,
S.
Gu
,
K.
Flippo
,
D.
Umstadter
, and
V. Y.
Bychenkov
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
4108
(
2000
).
3.
R. A.
Snavely
,
M. H.
Key
,
S. P.
Hatchett
,
T. E.
Cowan
,
M.
Roth
,
T. W.
Phillips
,
M. A.
Stoyer
,
E. A.
Henry
,
T. C.
Sangster
,
M. S.
Singh
,
S. C.
Wilks
,
A.
MacKinnon
,
A.
Offenberger
,
D. M.
Pennington
,
K.
Yasuike
,
A. B.
Langdon
,
B. F.
Lasinski
,
J.
Johnson
,
M. D.
Perry
, and
E. M.
Campbell
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
2945
(
2000
).
4.
M. M.
Murnane
,
H. C.
Kapteyn
, and
R. W.
Falcone
,
Phys. Rev. Lett.
62
,
155
(
1989
).
5.
S.
Kneip
,
C.
McGuffey
,
S. R.
Nagel
,
C.
Palmer
,
C.
Bellei
,
J.
Schreiber
,
C.
Huntington
,
F.
Dollar
,
T.
Matsuoka
,
V.
Chvykov
,
G.
Kalintchenko
,
V.
Yanovsky
,
A.
Maksimchuk
,
K.
Ta Phuoc
,
S. P. D.
Mangles
,
K.
Krushelnick
, and
Z.
Najmudin
,
Proc. SPIE
7359
,
73590
T (
2009
).
6.
B. A.
Remington
,
D.
Arnett
,
R. P.
Drake
, and
H.
Takabe
,
Science
284
,
1488
(
1999
).
7.
H.
Chen
,
S. C.
Wilks
,
J. D.
Bonlie
,
E. P.
Liang
,
J.
Myatt
,
D. F.
Price
,
D. D.
Meyerhofer
, and
P.
Beiersdorfer
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
105001
(
2009
).
8.
S.
Mangles
,
C. D.
Murphy
,
Z.
Najmudin
,
A.
Thomas
,
J. L.
Collier
,
A. E.
Dangor
,
E. J.
Divall
,
P. S.
Foster
,
J. G.
Gallacher
,
C. J.
Hooker
,
D. A.
Jaroszynski
,
A. J.
Langley
,
W. B.
Mori
,
P. A.
Norreys
,
F. S.
Tsung
,
R.
Viskup
,
B. R.
Walton
, and
K.
Krushelnick
,
Nature
431
,
535
(
2004
).
9.
S. C.
Wilks
,
W. L.
Kruer
,
M.
Tabak
, and
A. B.
Langdon
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
1383
(
1992
).
10.
F. N.
Beg
,
A. R.
Bell
,
A. E.
Dangor
,
C. N.
Danson
,
A. P.
Fews
,
M. E.
Glinsky
,
B. A.
Hammel
,
P.
Lee
,
P. A.
Norreys
, and
M.
Tatarakis
,
Phys. Plasmas
4
,
447
(
1997
).
11.
T.
Yabuuchi
,
K.
Adumi
,
H.
Habara
,
R.
Kodama
,
K.
Kondo
,
T.
Tanimoto
,
K. A.
Tanaka
,
Y.
Sentoku
,
T.
Matsuoka
,
Z. L.
Chen
,
M.
Tampo
,
A. L.
Lei
, and
K.
Mima
,
Phys. Plasmas
14
,
040706
(
2007
).
12.
H.
Chen
,
S. C.
Wilks
,
W. L.
Kruer
,
P. K.
Patel
, and
R.
Shepperd
,
Phys. Plasmas
16
,
020705
(
2009
).
13.
T.
Tanimoto
,
H.
Habara
,
R.
Kodama
,
M.
Nakatsutsumi
,
K. A.
Tanaka
,
K. L.
Lancaster
,
J. S.
Green
,
R. H. H.
Scott
,
M.
Sherlock
,
P. A.
Norreys
,
R. G.
Evans
,
M. G.
Haines
,
S.
Kar
,
M.
Zepf
,
J.
King
,
T.
Ma
,
M. S.
Wei
,
T.
Yabuuchi
,
F. N.
Beg
,
M. H.
Key
,
P.
Nilson
,
R. B.
Stephens
,
H.
Azechi
,
K.
Nagai
,
T.
Norimatsu
,
K.
Takeda
,
J.
Valente
, and
J. R.
Davies
,
Phys. Plasmas
16
,
062703
(
2009
).
14.
A.
Link
,
R. R.
Freeman
,
D. W.
Schumacher
, and
L. D. V.
Woerkom
,
Phys. Plasmas
18
,
053107
(
2011
).
15.
R. B.
Stephens
,
R. A.
Snavely
,
Y.
Aglitskiy
,
F.
Amiranoff
,
C.
Andersen
,
D.
Batani
,
S. D.
Baton
,
T.
Cowan
,
R. R.
Freeman
,
T.
Hall
,
S. P.
Hatchett
,
J. M.
Hill
,
M. H.
Key
,
J. A.
King
,
J. A.
Koch
,
M.
Koenig
,
A. J.
MacKinnon
,
K. L.
Lancaster
,
E.
Martinolli
,
P.
Norreys
,
E.
Perelli-Cippo
,
M.
Rabec Le Gloahec
,
C.
Rousseaux
,
J. J.
Santos
, and
F.
Scianitti
,
Phys. Rev. E
69
,
066414
(
2004
).
16.
K. U.
Akli
,
M. J.
Storm
,
M.
McMahon
,
S.
Jiang
,
V.
Ovchinnikov
,
D. W.
Schumacher
,
R. R.
Freeman
,
G.
Dyer
, and
T.
Ditmire
,
Phys. Rev. E
86
,
026404
(
2012
).
17.
M. G.
Haines
,
M. S.
Wei
,
F. N.
Beg
, and
R. B.
Stephens
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
045008
(
2009
).
18.
T.
Kluge
,
T.
Cowan
,
A.
Debus
,
U.
Schramm
,
K.
Zeil
, and
M.
Bussmann
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
205003
(
2011
).
19.
A.
Pukhov
and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Phys. Plasmas
5
,
1880
(
1998
).
20.
A.
Pukhov
,
A.-M.
Sheng
, and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Phys. Plasmas
6
,
2847
(
1999
).
21.
C.
Gahn
,
G. D.
Tsakiris
,
A.
Pukhov
,
J.
Meyer-ter-Vehn
,
G.
Pretzler
,
P.
Thirolf
,
D.
Habs
, and
K. J.
Witte
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
4772
(
1999
).
22.
S. P. D.
Mangles
,
B. R.
Walton
,
M.
Tzoufras
,
Z.
Najmudin
,
R. J.
Clarke
,
A. E.
Dangor
,
R. G.
Evans
,
S.
Fritzler
,
A.
Gopal
,
C.
Hernandez-Gomez
,
W. B.
Mori
,
W.
Rozmus
,
M.
Tatarakis
,
A. G. R.
Thomas
,
F. S.
Tsung
,
M. S.
Wei
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
245001
(
2005
).
23.
J.
Meyer-ter-Vehn
and
Z. M.
Sheng
,
Phys. Plasmas
6
,
641
(
1999
).
24.
M.
Tanimoto
,
S.
Kato
,
E.
Miura
,
N.
Saito
,
K.
Koyama
, and
J. K.
Koga
,
Phys. Rev. E
68
,
026401
(
2003
).
25.
B. S.
Paradkar
,
M. S.
Wei
,
T.
Yabuuchi
,
R. B.
Stephens
,
M. G.
Haines
,
S. I.
Krasheninnikov
, and
F. N.
Beg
,
Phys. Rev. E
83
,
046401
(
2011
).
26.
S. A.
Gaillard
,
T.
Kluge
,
K. A.
Flippo
,
M.
Bussmann
,
B.
Gall
,
T.
Lockard
,
M.
Geissel
,
D. T.
Offermann
,
M.
Schollmeier
,
Y.
Sentoku
, and
T. E.
Cowan
,
Phys. Plasmas
18
,
056710
(
2011
).
27.
T.
Kluge
,
S. A.
Gaillard
,
K. A.
Flippo
,
T.
Burris-Mog
,
W.
Enghardt
,
B.
Gall
,
M.
Geissel
,
A.
Helm
,
S. D.
Kraft
,
T.
Lockard
,
J.
Metzkes
,
D. T.
Offermann
,
M.
Schollmeier
,
U.
Schramm
,
K.
Zeil
,
M.
Bussmann
, and
T. E.
Cowan
,
New J. Phys.
14
,
023038
(
2012
).
28.
A. V.
Arefiev
,
B. N.
Breizman
,
M.
Schollmeier
, and
V. N.
Khudik
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
145004
(
2012
).
29.
A. P. L.
Robinson
,
A. V.
Arefiev
, and
D.
Neely
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
065002
(
2013
).
30.
A. J.
Kemp
and
L.
Divol
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
195005
(
2012
).
31.
K. T.
McDonald
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
1350
(
1998
).
32.
P.
Mora
and
B.
Quesnel
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
1351
(
1998
).
33.
B.
Quesnel
and
P.
Mora
,
Phys. Rev. E
58
,
3719
(
1998
).
34.
A.
Maltsev
and
T.
Ditmire
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
053002
(
2003
).
35.
J.-H.
Yang
,
R. S.
Craxton
, and
M. G.
Haines
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
53
,
125006
(
2011
).
36.
D. R.
Welch
,
D. V.
Rose
,
M. E.
Cuneo
,
R. B.
Campbell
, and
T. A.
Mehlhorn
,
Phys. Plasmas
13
,
063105
(
2006
).
37.
S. L.
Pape
,
Y. Y.
Tsui
,
A.
Macphee
,
D.
Hey
,
P.
Patel
,
A.
Mackinnon
,
M.
Key
,
M.
Wei
,
T.
Ma
,
F. N.
Beg
,
R.
Stephens
,
K.
Akli
,
T.
Link
,
L.
Van-Woerkom
, and
R. R.
Freeman
,
Opt. Lett.
34
,
2997
(
2009
).
38.
Y.
Ping
,
R.
Shepherd
,
B. F.
Lasinski
,
M.
Tabak
,
H.
Chen
,
H. K.
Chung
,
K. B.
Fournier
,
S. B.
Hansen
,
A.
Kemp
,
D. A.
Liedahl
,
K.
Widmann
,
S. C.
Wilks
,
W.
Rozmus
, and
M.
Sherlock
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
085004
(
2008
).
39.
M.
Ammosov
,
N.
Delone
, and
V.
Krainov
,
Zh. Eksp. Teor. Fiz
91
,
2008
(
1986
).
40.
W.
Kruer
,
The Physics of Laser Plasma Interactions
(
Westview Press
,
2003
).
41.
D. W.
Schumacher
,
G. E.
Kemp
,
A.
Link
,
R. R.
Freeman
, and
L. D. V.
Woerkom
,
Phys. Plasmas
18
,
013102
(
2011
).
42.
Y.
Ping
,
A. J.
Kemp
,
L.
Divol
,
M. H.
Key
,
P. K.
Patel
,
K. U.
Akli
,
F. N.
Beg
,
S.
Chawla
,
C. D.
Chen
,
R. R.
Freeman
,
D.
Hey
,
D. P.
Higginson
,
L. C.
Jarrott
,
G. E.
Kemp
,
A.
Link
,
H. S.
McLean
,
H.
Sawada
,
R. B.
Stephens
,
D.
Turnbull
,
B.
Westover
, and
S. C.
Wilks
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
145006
(
2012
).
43.
E. F.
Lefebvre
and
G.
Bonnaud
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
2002
(
1995
).
44.
J. A.
Stamper
,
K.
Papadopoulos
,
R. N.
Sudan
,
S. O.
Dean
, and
E. A.
McLean
,
Phys. Rev. Lett.
26
,
1012
(
1971
).
45.
R. J.
Mason
and
M.
Tabak
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
524
(
1998
).
You do not currently have access to this content.