The energy of an intense ultrashort laser pulse interacting with high density (still under dense) plasma is typically transformed into electron heating and in excitation of nonlinear coherent structures such as magnetic vortices, solitons, or post-solitons. Using 33 TW 30 fs laser pulses and a high-density nitrogen gas jet, we experimentally investigated magnetic vortices in the laser pulse collapse region where electrons are efficiently accelerated and heated. Those vortices, which are associated with rapidly decaying magnetic fields, are found to be immobile and persist for several picoseconds. A collisionless plasma was formed due to the quasi-static field ionization of the gas associated with the hot and fast electron currents. The evolution dynamics of such nonlinear plasma phenomena have been monitored by using a 30-fs probe laser beam through employing the polarimetric and shadowgraphic techniques. Our experimental results are also supported by particle-in-cell simulations.

1.
S. C.
Wilks
,
W. L.
Kruer
,
M.
Tabak
, and
A. B.
Langdon
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
1383
(
1992
).
2.
A.
Pukhov
and
J.
Meyertervehn
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
3975
(
1996
).
3.
P.
Sprangle
,
J.
Krall
, and
E.
Esarey
,
Phys. Rev. Lett.
73
,
3544
(
1994
).
4.
M. C.
Kaluza
,
S. P. D.
Mangles
,
A. G. R.
Thomas
,
Z.
Najmudin
,
A. E.
Dangor
,
C. D.
Murphy
,
J. L.
Collier
,
E. J.
Divall
,
P. S.
Foster
,
C. J.
Hooker
,
A. J.
Langley
,
J.
Smith
, and
K.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
095003
(
2010
).
5.
F.
Sylla
,
A.
Flacco
,
S.
Kahaly
,
M.
Veltcheva
,
A.
Lifschitz
,
G.
Sanchez-Arriaga
,
E.
Lefebvre
, and
V.
Malka
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
115003
(
2012
).
6.
S. V.
Bulanov
,
M.
Lontano
,
T. Zh.
Esirkepov
,
F.
Pegoraro
, and
A. M.
Pukhov
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
3562
(
1996
);
[PubMed]
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
M.
Lontano
, and
F.
Pegoraro
,
Plasma Phys. Rep.
23
,
660
(
1997
);
K. V.
Lezhnin
,
F. F.
Kamenets
,
T. Zh.
Esirkepov
,
S. V.
Bulanov
,
Y. J.
Gu
,
S.
Weber
, and
G.
Korn
,
Phys. Plasmas
23
,
093116
(
2016
).
7.
B.
Zhu
,
Y.-C.
Wu
,
K.-G.
Dong
,
W.
Hong
,
J.
Teng
,
W.-M.
Zhou
,
L.-F.
Cao
, and
Y.-Q.
Gu
,
Phys. Plasmas
19
,
102304
(
2012
).
8.
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
N. M.
Naumova
,
F.
Pegoraro
, and
V. A.
Vshivkov
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
3440
(
1999
).
9.
Y.
Sentoku
,
T. Zh.
Esirkepov
,
K.
Mima
,
K.
Nishihara
,
F.
Califano
,
F.
Pegoraro
,
H.
Sakagami
,
Y.
Kitagawa
,
N. M.
Naumova
, and
S. V.
Bulanov
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
3434
(
1999
).
10.
T.
Esirkepov
,
K.
Nishihara
,
S. V.
Bulanov
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
275002
(
2002
).
11.
N. M.
Naumova
,
J.
Koga
,
K.
Nakajima
,
T.
Tajima
,
T. Zh.
Esirkepov
,
S. V.
Bulanov
, and
F.
Pegoraro
,
Phys. Plasmas
8
,
4149
(
2001
).
12.
F.
Pegoraro
,
S.
Bulanov
,
F.
Califano
,
T.
Esirkepov
,
M.
Lontano
,
N.
Naumova
, and
V.
Vshivkov
,
Atoms, Solids, and Plasmas in Super-Intense Laser Fields
(
Springer
,
US
,
2001
), pp.
233
247
;
G. A.
Mourou
,
T.
Tajima
, and
S. V.
Bulanov
,
Rev. Mod. Phys.
78
,
309
(
2006
).
13.
T.
Nakamura
and
K.
Mima
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
205006
(
2008
).
14.
T.
Nakamura
,
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
, and
M.
Kando
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
135002
(
2010
).
15.
M.
Borghesi
,
S.
Bulanov
,
D. H.
Campbell
,
R. J.
Clarke
,
T. Zh.
Esirkepov
,
M.
Galimberti
,
L. A.
Gizzi
,
A. J.
MacKinnon
,
N. M.
Naumova
,
F.
Pegoraro
,
H.
Ruhl
,
A.
Schiavi
, and
O.
Willi
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
135002
(
2002
).
16.
L.
Romagnani
,
A.
Bigongiari
,
S.
Kar
,
S. V.
Bulanov
,
C. A.
Cecchetti
,
T. Zh.
Esirkepov
,
M.
Galimberti
,
R.
Jung
,
T. V.
Liseykina
,
A.
Macchi
,
J.
Osterholz
,
F.
Pegoraro
,
O.
Willi
, and
M.
Borghesi
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
175002
(
2010
).
17.
G.
Sarri
,
D. K.
Singh
,
J. R.
Davies
,
F.
Fiuza
,
K. L.
Lancaster
,
E. L.
Clark
,
S.
Hassan
,
J.
Jiang
,
N.
Kageiwa
,
N.
Lopes
,
A.
Rehman
,
C.
Russo
,
R. H. H.
Scott
,
T.
Tanimoto
,
Z.
Najmudin
,
K. A.
Tanaka
,
M.
Tatarakis
,
M.
Borghesi
, and
P. A.
Norreys
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
175007
(
2010
).
18.
W.
Feng
,
J. Q.
Li
, and
Y.
Kishimoto
,
Phys. Plasmas
23
,
032102
(
2016
).
19.
Y.
Liu
,
O.
Klimo
,
T. Zh.
Esirkepov
,
S. V.
Bulanov
,
Y.
Gu
,
S.
Weber
, and
G.
Korn
,
Phys. Plasmas
22
,
112302
(
2015
);
Y.
Liu
,
O.
Klimo
,
Y.
Gu
,
D.
Kumar
,
S.
Singh
,
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
S.
Weber
, and
G.
Korn
,
Proc. SPIE
9515
,
95151I
(
2015
).
20.
W. B.
Mori
,
C.
Joshi
, and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
60
,
1298
(
1988
).
21.
G.
Li
,
R.
Yan
, and
C.
Ren
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
125002
(
2008
).
22.
F.
Sylla
,
A.
Flacco
,
S.
Kahaly
,
M.
Veltcheva
,
A.
Lifschitz
, and
V.
Malka
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
085001
(
2013
).
23.
L.
Gremillet
,
F.
Amiranoff
,
S. D.
Baton
,
J.-C.
Gauthier
,
M.
Koenig
,
E.
Martinolli
,
F.
Pisani
,
G.
Bonnaud
,
C.
Lebourg
,
C.
Rousseaux
,
C.
Toupin
,
A.
Antonicci
,
D.
Batani
,
A.
Bernardinello
,
T.
Hall
,
D.
Scott
,
P.
Norreys
,
H.
Bandulet
, and
H.
Pépin
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
5015
(
1999
).
24.
M.
Borghesi
,
A. J.
Mackinnon
,
A. R.
Bell
,
G.
Malka
,
C.
Vickers
, and
O.
Willi
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
4309
(
1999
).
25.
D.
Batani
,
S. D.
Baton
,
M.
Manclossi
,
J. J.
Santos
,
F.
Amiranoff
,
M.
Koenig
,
E.
Martinolli
,
A.
Antonicci
,
C.
Rousseaux
,
M.
Rabec Le Gloahec
,
T.
Hall
,
V.
Malka
,
T. E.
Cowan
,
J.
King
,
R. R.
Freeman
,
M.
Key
, and
R.
Stephens
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
055004
(
2005
).
26.
J. A.
Stamper
and
B. H.
Ripin
,
Phys. Rev. Lett.
34
,
138
(
1975
).
27.
A.
Buck
,
M.
Nicolai
,
K.
Schmid
,
C. M. S.
Sears
,
A.
Sävert
,
J. M.
Mikhailova
,
F.
Krausz
,
M. C.
Kaluza
, and
L.
Veisz
,
Nat. Phys.
7
,
543
(
2011
).
28.
A.
Flacco
,
J.
Vieira
,
A.
Lifschitz
,
F.
Sylla
,
S.
Kahaly
,
M.
Veltcheva
,
L. O.
Silva
, and
V.
Malka
,
Nat. Phys.
11
,
409
(
2015
).
29.
M. C.
Kaluza
,
H.-P.
Schlenvoigt
,
S. P. D.
Mangles
,
A. G. R.
Thomas
,
A. E.
Dangor
,
H.
Schwoerer
,
W. B.
Mori
,
Z.
Najmudin
, and
K. M.
Krushelnick
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
115002
(
2010
).
30.
J.
Xu
,
A.
Buck
,
S.-W.
Chou
,
K.
Schmid
,
B.
Shen
,
T.
Tajima
,
M. C.
Kaluza
, and
L.
Veisz
,
Phys. Plasmas
24
,
083106
(
2017
).
31.
A.
Criminisi
,
I.
Reid
, and
A.
Zisserman
,
Image Vision Comput.
17
,
625
(
1999
).
32.
A.
Zisserman
,
Geometric Frammework for Vision i: Single View and Two-View Geometry
(Lecture Notes,
Robotics Research Group, University of Oxford
,
1997
).
33.
G. Z.
Sun
,
E.
Ott
,
Y. C.
Lee
, and
P.
Guzdar
,
Phys. Fluids
30
,
526
(
1987
);
D. C.
Barnes
,
T.
Kurki-Suonio
, and
T.
Tajima
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
15
,
154
(
1987
).
34.
T.
Hosokai
,
K.
Kinoshita
,
T.
Watanabe
,
K.
Yoshii
,
T.
Ueda
,
A.
Zhidokov
,
M.
Uesaka
,
K.
Nakajima
,
M.
Kando
, and
H.
Kotaki
, “
Supersonic gas jet target for generation of relativistic electrons with 12 TW-50 fs laser pulse
,” in
Proceeding of EPAC Paris
,
France
(
2002
), p.
981
.
35.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
36.
K.
Gao
,
N. A. M.
Hafz
,
S.
Li
,
M.
Mirzaie
,
G. Y.
Li
, and
Q.
Ain
,
Plasma Sci. Technol.
19
,
015506
(
2017
).
37.
F.
He
,
W.
Yu
,
P.
Lu
,
H.
Xu
,
L.
Qian
,
B.
Shen
,
X.
Yuan
,
R.
Li
, and
Z.
Xu
,
Phys. Rev. E
68
,
046407
(
2003
);
F. V.
Harternann
,
S. N.
Fochs
,
G. P.
Le Sage
, Jr.
,
N. C.
Luhmann
,
J. G.
Woodworth
,
M. D.
Perry
,
Y. J.
Chen
, and
A. K.
Kerman
,
Phys. Rev. E
51
,
4833
(
1995
).
38.
E. S.
Weibel
,
Phys. Rev. Lett.
2
,
83
(
1959
);
B. D.
Fried
,
Phys. Fluids
2
,
337
(
1959
).
39.
R.
Fedosejevs
,
X. F.
Wang
, and
G. D.
Tsakiris
,
Phys. Rev. E
56
,
4615
(
1997
).
40.
N. M.
Naumova
,
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
D.
Farina
,
K.
Nishihara
,
F.
Pegoraro
,
H.
Ruhl
, and
A. S.
Sakharov
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
185004
(
2001
).
41.
A.
Flacco
,
J. M.
Rax
, and
V.
Malka
,
Phys. Plasmas
19
,
103107
(
2012
).
42.
L. M.
Chen
,
H.
Kotaki
,
K.
Nakajima
,
J.
Koga
,
S. V.
Bulanov
,
T.
Tajima
,
Y. Q.
Gu
,
H. S.
Peng
,
X. X.
Wang
,
T. S.
Wen
,
H. J.
Liu
,
C. Y.
Jiao
,
C. G.
Zhang
,
X. J.
Huang
,
Y.
Guo
,
K. N.
Zhou
,
J. F.
Hua
,
W. M.
An
,
C. X.
Tang
, and
Y. Z.
Lin
,
Phys. Plasmas
14
,
040703
(
2007
).
43.
A.
Das
and
P.
Kaw
,
Phys. Plasmas
8
,
4518
(
2001
).
44.
S. V.
Bulanov
,
D. V.
Dylov
,
T. Z.
Esirkepov
,
F. F.
Kamenets
, and
D. V.
Sokolov
,
Plasma Phys. Rep.
31
,
369
(
2005
).
45.
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
F. S.
Tsung
,
V. K.
Decyk
,
W.
Lu
,
C.
Ren
,
W. B.
Mori
,
S.
Deng
,
S.
Lee
,
T.
Katsouleas
, and
J. C.
Adam
,
Lect. Notes Comput. Sci.
2331
,
342
351
(
2002
).
46.
M. V.
Ammosov
,
N. B.
Delone
, and
V. P.
Krainov
,
Zh. Eksp. Teor. Fiz.
91
,
2008
(
1986
) [Sov. Phys. JETP 64, 1191 (1986)].
You do not currently have access to this content.