Onderzoekers van de Cluster of Excellence "CUI:Advanced Imaging of Matter" hebben een doorbraak bereikt door een volledig nieuw type plasma te creëren door geavanceerde technologieën te combineren met behulp van ultrakorte laserpulsen en ultrakoude atomaire gassen. Ze rapporteren in het tijdschrift over een nieuw elektronenkoelmechanisme dat optreedt in dergelijke plasma's Natuurcommunicatie .

Materie bestaat in vier toestanden:vast, gas, vloeistof, en plasma - waarbij plasma de meest voorkomende staat is in het zichtbare universum. Het bestaat uit vrij geladen deeltjes zoals ionen en elektronen. Plasma's kunnen over een enorm bereik van temperaturen en dichtheden bestaan, van de kern van de zon tot bliksem of vlammen. De uitdagingen om plasmadynamica te begrijpen, zijn eerst universele mechanismen te identificeren en deze vervolgens te vergelijken met een gecontroleerd laboratoriumexperiment. "Met het gepresenteerde werk, we hopen bij te dragen aan een breder begrip van fundamentele processen die plaatsvinden in extreme plasmasystemen, die niet direct toegankelijk zijn voor experimenteel onderzoek, Eerste auteur Tobias Kroker van de onderzoeksgroep van prof.dr. Markus Drescher van het departement Natuurkunde stelt.

Bij het Center for Optical Quantum Technologies aan de Universität Hamburg, de onderzoekers koelen en vangen atomen op met laserlicht. Ze gebruiken het intense lichtveld van een ultrakorte laserpuls om atomen binnen 200 femtoseconden op te splitsen in elektronen en ionen. Een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde. Door de extreem lage begintemperatuur van de atomen, de ionen hebben temperaturen lager dan 40 millikelvin, dat is slechts een fractie boven de laagst mogelijke temperatuur in het heelal (0 Kelvin of min 273 graden op de schaal van Celsius). In tegenstelling tot, de elektronen zijn aanvankelijk erg heet met temperaturen van 5250 Kelvin, dicht bij die aan het oppervlak van de zon.

Hete elektronen die direct door de ultrakorte laserpuls worden gecreëerd, beginnen te ontsnappen en laten een positief geladen gebied achter dat een deel van de elektronen opsluit in een ultrakoud plasma. "Zo'n plasmatoestand is nog nooit eerder waargenomen, ", zegt Kroker. De onderzoekers van de groepen van Prof. Dr. Markus Drescher en Prof. Dr. Klaus Sengstock hebben waargenomen dat de gevangen elektronen in het plasma op ultrasnelle tijdschalen worden afgekoeld en de uiteindelijke elektronische temperatuur gemeten. ze zagen dat het plasma stabiel is over een paar honderd nanoseconden, wat erg lang is voor dergelijke systemen.

Dergelijke ultrakoude plasma's bieden benchmarks voor theoretische modellen en kunnen licht werpen op extreme omstandigheden die aanwezig zijn in traagheidsopsluitingsfusie of astronomische objecten zoals witte dwergen. Verder, de resulterende ultrakoude elektronen zijn op zichzelf interessant als een heldere bron voor het afbeelden van biologische monsters.