Natuurkundigen van Rice University hebben 's werelds eerste lasergekoelde neutrale plasma gemaakt, het voltooien van een 20-jarige zoektocht die de weg vrijmaakt voor simulatoren die exotische toestanden van materie opnieuw creëren die te vinden zijn in Jupiter en witte dwergsterren.

De bevindingen worden deze week gedetailleerd in het tijdschrift Wetenschap en omvatten nieuwe technieken voor het met laser koelen van wolken van snel uitzettend plasma tot temperaturen die ongeveer 50 keer kouder zijn dan in de verre ruimte.

"We kennen de praktische uitbetaling nog niet, maar elke keer dat natuurkundigen iets nieuws hebben gekoeld, het heeft een hele wereld van mogelijkheden geopend, " zei hoofdwetenschapper Tom Killian, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde aan Rice. "Niemand had voorspeld dat laserkoelende atomen en ionen zouden leiden tot 's werelds meest nauwkeurige klokken of doorbraken in kwantumcomputers. We doen dit omdat het een grens is."

Killian en afgestudeerde studenten Tom Langin en Grant Gorman gebruikten 10 lasers van verschillende golflengten om het neutrale plasma te creëren en af ​​te koelen. Ze begonnen met het verdampen van strontiummetaal en gebruikten een reeks elkaar kruisende laserstralen om een ​​wolk strontiumatomen ter grootte van een kindervingertop op te vangen en af ​​te koelen. Volgende, ze ioniseerden het ultrakoude gas met een ontploffing van 10 nanoseconden van een gepulseerde laser. Door van elk atoom één elektron te strippen, de puls zette het gas om in een plasma van ionen en elektronen.

De energie van de ioniserende explosie zorgt ervoor dat het nieuw gevormde plasma snel uitzet en in minder dan een duizendste van een seconde verdwijnt. De belangrijkste bevinding van deze week is dat de uitzettende ionen kunnen worden gekoeld met een andere set lasers nadat het plasma is gemaakt. Killian, Langin en Gorman beschrijven hun technieken in het nieuwe artikel, de weg vrijmaken voor hun lab en anderen om nog koudere plasma's te maken die zich in vreemde, onverklaarbare manieren.

Plasma is een elektrisch geleidend mengsel van elektronen en ionen. Het is een van de vier fundamentele toestanden van materie; maar in tegenstelling tot vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, die in het dagelijks leven bekend zijn, plasma's komen meestal voor op zeer hete plaatsen zoals het oppervlak van de zon of een bliksemschicht. Door ultrakoude plasma's te bestuderen, Het team van Killian hoopt fundamentele vragen te beantwoorden over hoe materie zich gedraagt ​​onder extreme omstandigheden van hoge dichtheid en lage temperatuur.

Om zijn plasma's te maken, de groep start met laserkoeling, een methode voor het vangen en vertragen van deeltjes met elkaar kruisende laserstralen. Hoe minder energie een atoom of ion heeft, hoe kouder het is, en hoe langzamer het willekeurig beweegt. Laserkoeling is in de jaren negentig ontwikkeld om atomen te vertragen tot ze bijna onbeweeglijk zijn. of slechts een paar miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt.

"Als een atoom of ion beweegt, en ik heb een laserstraal die zijn beweging tegenwerkt, als het fotonen uit de straal verstrooit, krijgt het momentumkicks die het vertragen, "Zei Killian. "De truc is om ervoor te zorgen dat het licht altijd wordt verstrooid door een laser die de beweging van het deeltje tegenwerkt. Als je dat doet, het deeltje vertraagt ​​en vertraagt ​​en vertraagt."

Tijdens een postdoctorale beurs aan het National Institute of Standards and Technology in Bethesda, MD, in 1999, Killian pionierde met de ionisatiemethode voor het maken van neutraal plasma uit een lasergekoeld gas. Toen hij het jaar daarop aan de faculteit van Rice toetrad, hij begon een zoektocht naar een manier om de plasma's nog kouder te maken. Een motivatie was om te komen tot "sterke koppeling, " een fenomeen dat van nature alleen in plasma's voorkomt op exotische plaatsen zoals witte dwergsterren en het centrum van Jupiter.

"We kunnen sterk gekoppelde plasma's niet bestuderen op plaatsen waar ze van nature voorkomen, "Zei Killian. "Laserkoeling met neutrale plasma's stelt ons in staat om sterk gekoppelde plasma's te maken in een laboratorium, zodat we hun eigenschappen kunnen bestuderen"

"In sterk gekoppelde plasma's, er is meer energie in de elektrische interacties tussen deeltjes dan in de kinetische energie van hun willekeurige beweging, "Zei Killian. "We richten ons vooral op de ionen, die elkaar voelen, en herschikken zich in reactie op de standpunten van hun buren. Dat is wat sterke koppeling betekent."

Omdat de ionen positieve elektrische ladingen hebben, ze stoten elkaar af door dezelfde kracht die ervoor zorgt dat je haar rechtop gaat staan ​​als het wordt opgeladen met statische elektriciteit.

"Sterk gekoppelde ionen kunnen niet dicht bij elkaar zijn, dus proberen ze evenwicht te vinden, een regeling waarbij de afstoting van al hun buren in evenwicht is, " zei hij. "Dit kan leiden tot vreemde verschijnselen zoals vloeibare of zelfs vaste plasma's, die ver buiten onze normale ervaring liggen."

normaal, zwak gekoppelde plasma's, deze afstotende krachten hebben slechts een kleine invloed op de ionenbeweging omdat ze veel teniet worden gedaan door de effecten van kinetische energie, of warmte.

"Afstotende krachten zijn normaal gesproken als een gefluister bij een rockconcert, "Zei Killian. "Ze worden overstemd door alle kinetische ruis in het systeem."

In het centrum van Jupiter of een witte dwergster, echter, intense zwaartekracht perst ionen zo dicht bij elkaar dat afstotende krachten, die veel sterker worden op kortere afstanden, winnen. Ook al is de temperatuur vrij hoog, ionen worden sterk gekoppeld.

Killian's team maakt plasma's met een lagere dichtheid dan die in planeten of dode sterren. maar door de temperatuur te verlagen, verhogen ze de verhouding van elektrische tot kinetische energieën. Bij temperaturen zo laag als een tiende Kelvin boven het absolute nulpunt, Killian's team heeft gezien hoe afstotende krachten het overnemen.

"Laserkoeling is goed ontwikkeld in gassen met neutrale atomen, bijvoorbeeld, maar de uitdagingen zijn heel anders in plasma's, " hij zei.

"We staan ​​nog maar aan het begin van het onderzoeken van de implicaties van sterke koppeling in ultrakoude plasma's, ' zei Killian. 'Bijvoorbeeld, het verandert de manier waarop warmte en ionen door het plasma diffunderen. We kunnen die processen nu bestuderen. Ik hoop dat dit onze modellen van exotische, sterk gekoppelde astrofysische plasma's, maar ik weet zeker dat we ook ontdekkingen zullen doen waar we nog niet van gedroomd hebben. Zo werkt de wetenschap."

Het onderzoek werd ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research en het Department of Energy's Office of Science.