Ученые впервые создали нейтральную плазму с лазерным охлаждением, которая будет использоваться для моделирования некоторых из самых горячих и самых экзотических веществ во вселенной.

Физики из Университета Райса смоделировали вид ультра-горячей плазмы, обнаруженной в центре мертвых звезд в лаборатории, создав плазму с лазерным охлаждением, которая примерно в пятьдесят раз холоднее, чем температура окружающей среды в глубоком космосе.

Парадоксальная работа приносит нам первую в мире нейтральную плазму с лазерным охлаждением, которая, как надеются исследователи, позволит физикам изучить некоторые из самых экзотических веществ во вселенной, такие как плотные газы, найденные в звездах белых карликов, а также добиться прогресса в синтезе. энергетические исследования.

Плазма — это четвертое состояние вещества — электропроводящее облако сверхплотного газа, состоящее из ионов и свободных электронов. Плазма обычно образуется в условиях очень высоких температур, таких как поверхность Солнца, но в еще более экстремальных условиях (например, в центре сверхплотной звезды из белых карликов или Юпитера) плазма начинает вести себя необычным образом, который является трудным копировать в лаборатории на Земле.

Однако моделирование горячей плазмы в таких экстремальных условиях может быть выполнено в лаборатории, если сделать плазму действительно очень холодной.

Как подробно описано в статье, опубликованной на прошлой неделе в журнале Science , физики использовали массив из десяти лазеров для создания переохлажденной плазмы. Во-первых, они испаряли металлический стронций и суспендировали пары в массиве пересекающихся лазерных лучей, чтобы дать ему остыть. Затем небольшое облако охлажденных паров стронция ионизировали коротким импульсом от другого лазера. Энергия от этого лазера заставляла полосы одного электрона от каждого атома стронция создавать плазму ионов стронция и свободных электронов.

В то же время этот лазерный импульс вызывает быстрое расширение плазмы. Ключевой прорыв, сделанный физиками в Университете Райса, заключался в использовании другой лазерной матрицы для взрыва быстро расширяющейся плазмы и ее дальнейшего охлаждения. После этого последнего лазерного импульса температура плазмы составляет всего 50 милликельвинов или около -460 градусов по Фаренгейту, что примерно в 50 раз холоднее космического вакуума.

По словам физиков, одним из основных мотивов создания этой ультрахолодной плазмы было изучение явления, известного как «сильная связь».

Когда атом стронция ионизируется, он теряет электрон, который дает атому положительный заряд. Хотя эти положительно заряженные ионы отталкивают друг друга в плазме, эта сила отталкивания незначительна по сравнению с количеством кинетической энергии, производимой в виде тепла.

«Отталкивающие силы обычно похожи на шепот на рок-концерте», — заявил в заявлении Том Киллиан, физик из Университета Райса и ведущий автор исследования . «Они заглушены всем кинетическим шумом в системе».

В условиях экстремальной гравитации, таких как центр Юпитера или белая карликовая звезда, эти положительно заряженные ионы вынуждены настолько близко друг к другу, что силы отталкивания сильнее кинетических, даже если плазма очень горячая. В этот момент все ионы отталкиваются друг от друга и стремятся найти равновесие, а это значит, что они отталкиваются всеми соседними ионами одинаково. Этот отталкивающий уравновешивающий акт — это то, что известно как сильная связь.

Хотя физики способны создавать на Земле чрезвычайно горячую плазму, воспроизвести условия экстремальной гравитации в центре Юпитера для создания сильной связи в лаборатории невозможно. Но если цель состоит в том, чтобы просто создать плазму, в которой отталкивающие электрические силы сильнее кинетических, это может быть достигнуто путем движения в противоположном направлении.

Другими словами, Киллиан и его коллеги надеются смоделировать ультра-горячую и ультра-плотную плазму, создавая ультра-холодную плазму, которая на несколько порядков менее плотна.

«Мы только начинаем изучать последствия сильной связи в ультрахолодной плазме», — сказал Киллиан. «Я надеюсь, что это улучшит наши модели экзотической, сильно связанной астрофизической плазмы, но я уверен, что мы также сделаем открытия, о которых мы еще не мечтали».