De drie klassieke fysieke toestanden:solide, vloeibaar en gasvormig - kan in elke normale keuken worden waargenomen, bijvoorbeeld als je een ijsblokje aan de kook brengt. Maar als je materiaal nog verder verhit, zodat de atomen van een stof botsen en de elektronen ervan scheiden, dan wordt een andere toestand bereikt:plasma. Meer dan 99 procent van het materiaal in de ruimte is in deze vorm aanwezig, binnen sterren bijvoorbeeld. Het is dan ook geen wonder dat natuurkundigen dergelijk materiaal graag willen bestuderen. Helaas, het creëren en bestuderen van plasma's op aarde met behulp van de hoge temperatuur en druk die in sterren bestaat, is om verschillende redenen buitengewoon uitdagend. Natuurkundigen van de Friedrich Schiller Universiteit in Jena zijn er nu in geslaagd om een ​​aantal van deze problemen op te lossen, en ze hebben over hun resultaten gerapporteerd in het gerenommeerde onderzoekstijdschrift Fysieke beoordeling X .

Nanodraden laten licht door

"Om materiaal zo te verhitten dat er plasma ontstaat, we hebben een overeenkomstig hoge energie nodig. Meestal gebruiken we hiervoor licht in de vorm van een grote laser, " legt Christian Spielmann van de Universiteit van Jena uit. "Echter, dit licht moet zeer kort gepulseerd zijn, zodat het materiaal niet meteen uitzet als het de juiste temperatuur heeft bereikt, maar voor een korte periode samenhoudt als dicht plasma." Er is een probleem met deze experimentele opstelling, hoewel:"Als de laserstraal het monster raakt, plasma ontstaat. Echter, het begint bijna onmiddellijk als een spiegel te werken en weerkaatst een groot deel van de binnenkomende energie, die daardoor niet volledig tot de zaak doordringen. Hoe langer de golflengte van de laserpuls, hoe kritischer het probleem, " zegt Zhanna Samsonova, die een leidende rol speelden in het project.

Om dit spiegeleffect te vermijden, de onderzoekers in Jena gebruikten stalen van siliciumdraden. De diameter van dergelijke draden - enkele honderden nanometers - is kleiner dan de golflengte van ongeveer vier micrometer van het invallende licht. "We waren de eersten die een laser met zo'n lange golflengte gebruikten voor het maken van plasma, " zegt Spielmann. "Het licht dringt tussen de draden in het monster door en verwarmt ze van alle kanten, zodat gedurende een paar picoseconden, er wordt een aanzienlijk groter plasmavolume gecreëerd dan wanneer de laser wordt gereflecteerd. Zo'n 70 procent van de energie dringt het monster binnen." dankzij de korte laserpulsen, het verwarmde materiaal bestaat iets langer voordat het uitzet. Eindelijk, met behulp van röntgenspectroscopie, onderzoekers kunnen waardevolle informatie opvragen over de staat van het materiaal.

Maximale waarden voor temperatuur en dichtheid

“Met onze methode het is mogelijk om in een laboratorium nieuwe maximale waarden voor temperatuur en dichtheid te bereiken, ", zegt Spielmann. Met een temperatuur van ongeveer 10 miljoen Kelvin, het plasma is veel heter dan materiaal op het oppervlak van de zon, bijvoorbeeld. Spielmann noemt ook de samenwerkingspartners in het project. Voor de laserexperimenten, de wetenschappers van Jena gebruikten een faciliteit aan de Technische Universiteit van Wenen; de monsters zijn afkomstig van het National Metrology Institute of Germany in Braunschweig; en computersimulaties om de bevindingen te bevestigen zijn afkomstig van collega's in Darmstadt en Düsseldorf.

De resultaten van het Jena-team zijn een baanbrekend succes, biedt een geheel nieuwe benadering van plasmaonderzoek. Theorieën over de toestand van plasma kunnen worden geverifieerd door experimenten en daaropvolgende computersimulaties. Hierdoor kunnen onderzoekers kosmologische processen beter begrijpen. In aanvulling, de wetenschappers verrichten waardevol voorbereidend werk voor de installatie van grootschalige apparaten. Bijvoorbeeld, de internationale deeltjesversneller, Faciliteit voor antiproton- en ionenonderzoek (FAIR), is momenteel in aanbouw in Darmstadt en zou rond 2025 operationeel moeten zijn. Dankzij de nieuwe informatie, het zal mogelijk zijn om specifieke gebieden te selecteren die nader bekeken moeten worden.