7.5K
Физики из Университета Райса (США) создали первую в мире охлажденную лазером нейтральную плазму, над получением которой ученые бились на протяжении двух десятков лет. Успешный эксперимент подготовил почву для дальнейших симуляций, позволяющих в лабораторных условиях изучить экзотические состояния вещества, предполагаемые в недрах Юпитера и белых карликов. Результаты опытов и методы описаны в статье, представленной в журнале Science.
«Пока нам точно не известна практическая выгода от результата, но каждый раз, когда физики охлаждают лазером какие-то вещи, это открывает целый мир возможностей. Никто не предполагал, что охлаждение атомов и ионов приведет к созданию самых точных часов в мире или к прорыву в квантовых вычислениях», – рассказывает Том Киллиан, ведущий автор исследования.
Плазма представляет собой электропроводящую смесь из электронов и ионов. Это одно из четырех основных состояний материи, но в отличие от твердых веществ, жидкостей и газов, которые знакомы нам в повседневной жизни, она, как правило, возникает в очень горячих местах, таких как поверхность Солнца или разряд молнии. Изучая ультрахолодную плазму, ученые надеются ответить на фундаментальные вопросы о том, как материя ведет себя в экстремальных условиях высокой плотности и низкой температуры.
В своих опытах физики использовали 10 лазеров с различной длиной волны. Они начали с испарения металлического стронция и одного набора пересекающихся лазерных лучей для захвата и охлаждения пучка атомов. Затем ученые ионизировали ультрахолодный газ с помощью импульсов длительностью 10 наносекунд, которые снимали по электрону с каждого атома, превратив в итоге газ в плазму ионов и электронов.
Однако вновь образованные облака плазмы «испарялись» менее чем за одну тысячную секунды, и ключевым прорывом нового эксперимента стало то, что разлетающиеся ионы можно охладить с помощью другого набора лазеров.
«Если атом или ион движется, а у меня есть противодействующий этому лазерный луч, то я смогу замедлить его. Хитрость заключается в том, чтобы свет от лазера всегда рассеивался. Если вы этого добьетесь, то частица будет замедляться, замедляться и замедляться», – пояснил Том Киллиан.
Одной из главных целей исследования команды физиков было достижение «сильной связи» в плазме, явления, которое естественным образом проявляется в ней только в таких экзотических местах, как недра белых карликов и Юпитера.
«В сильно связанной плазме энергия электрического взаимодействия между частицами больше кинетической энергии их хаотического движения. В основном мы изучаем ионы, которые чувствуют друг друга и перестраиваются в ответ на позиции своих соседей. В этом и проявляется сильная связь», – добавил Том Киллиан.
Поскольку ионы имеют положительные электрические заряды, они отталкивают друг друга и не могут находиться бесконечно близко с себе подобными, так как пытаются найти равновесие, расположение, при котором действующие на них силы от всех их соседей сбалансированы. Это может привести к странным явлениям, таким как жидкая или даже твердая плазма, которые пока находятся далеко за пределами текущих исследований.
«Отталкивающие силы обычно похожи на шепот на рок-концерте. Они заглушаются кинетическим шумом в системе. Однако в недрах Юпитера или белого карлика интенсивная гравитация прижимает ионы так близко друг к другу, что силы отталкивания, которые становятся намного сильнее на коротких расстояниях, побеждают. И, хотя температура довольно высокая, ионы становятся сильно связанными», – продолжил Том Киллиан.
Несмотря на то, что физики создали плазму, плотность которой на несколько порядков ниже, чем в недрах газовых гигантов или мертвых звезд, понижая температуру, они добиваются увеличения отношения электрической и кинетической энергий, и при ее охлаждении ниже одной десятой градуса выше абсолютного нуля ученые фиксировали, как силы отталкивания выходят на первый план.
«Лазерное охлаждение хорошо развито, например, в газах с нейтральными атомами, но с плазмой совсем все по-другому. Мы только начинаем изучать последствия сильной связи в ультрахолодной плазме, и я надеюсь, что наше исследование поможет улучшить модели экзотической, сильно связанной астрофизической плазмы, и сделать открытия, о которых мы еще даже не мечтали», – заключил Том Киллиан.