Natuurkundigen van Rice University hebben een manier ontdekt om 's werelds koudste plasma op te sluiten in een magnetische fles. een technologische prestatie die het onderzoek naar schone energie zou kunnen bevorderen, ruimteweer en astrofysica.

"Om te begrijpen hoe de zonnewind interageert met de aarde, of om schone energie op te wekken uit kernfusie, men moet begrijpen hoe plasma - een soep van elektronen en ionen - zich gedraagt ​​in een magnetisch veld, " zei Rice decaan van Natuurwetenschappen Tom Killian, de corresponderende auteur van een gepubliceerde studie over het werk in Fysieke beoordelingsbrieven .

Met behulp van lasergekoeld strontium, Killian en afgestudeerde studenten Grant Gorman en MacKenzie Warrens maakten een plasma ongeveer 1 graad boven het absolute nulpunt, of ongeveer -272 graden Celsius, en ving het kort op met krachten van omringende magneten. Het is de eerste keer dat een ultrakoud plasma magnetisch is opgesloten, en Killian, die al meer dan twee decennia ultrakoude plasma's bestudeert, zei dat het de deur opent voor het bestuderen van plasma's in veel omgevingen.

"Dit biedt een schoon en controleerbaar testbed voor het bestuderen van neutrale plasma's op veel complexere locaties, zoals de atmosfeer van de zon of witte dwergsterren, " zei Killian, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. "Het is erg handig om het plasma zo koud te hebben en om deze zeer schone laboratoriumsystemen te hebben. Beginnend met een eenvoudige, klein, goed beheerd, Met een goed begrepen systeem kun je een deel van de rommel wegnemen en het fenomeen dat je wilt zien echt isoleren."

Dat is belangrijk voor studie co-auteur Stephen Bradshaw, een rijstastrofysicus die gespecialiseerd is in het bestuderen van plasmaverschijnselen op de zon.

"In de hele atmosfeer van de zon, het (sterke) magnetische veld heeft tot gevolg dat alles verandert ten opzichte van wat je zou verwachten zonder een magnetisch veld, maar op heel subtiele en gecompliceerde manieren die je echt kunnen laten struikelen als je er niet echt een goed begrip van hebt, " zei Bradshaw, een universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde.

Zonnefysici krijgen zelden een duidelijke waarneming van specifieke kenmerken in de atmosfeer van de zon, omdat een deel van de atmosfeer tussen de camera en die kenmerken ligt, en niet-gerelateerde verschijnselen in de tussenliggende atmosfeer verduisteren wat ze zouden willen observeren.

"Helaas, vanwege dit zichtlijnprobleem, observationele metingen van plasma-eigenschappen gaan gepaard met nogal wat onzekerheid, Bradshaw zei. "Maar naarmate we ons begrip van de verschijnselen verbeteren, en cruciaal, de laboratoriumresultaten gebruiken om onze numerieke modellen te testen en te kalibreren, dan kunnen we hopelijk de onzekerheid in deze metingen verminderen."

Plasma is een van de vier fundamentele toestanden van materie, maar in tegenstelling tot vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, plasma's maken over het algemeen geen deel uit van het dagelijks leven, omdat ze meestal voorkomen op zeer hete plaatsen zoals de zon, een bliksemschicht of kaarsvlam. Zoals die hete plasma's, Killian's plasma's zijn soepen van elektronen en ionen, maar ze worden koud gemaakt door laserkoeling, een techniek die een kwart eeuw geleden werd ontwikkeld om materie te vangen en te vertragen met licht.

Killian zei dat de quadrupool magnetische opstelling die werd gebruikt om het plasma te vangen een standaard onderdeel is van de ultrakoude opstelling die zijn lab en anderen gebruiken om ultrakoude plasma's te maken. Maar uitvinden hoe je plasma met de magneten kunt vangen, was een netelig probleem, omdat het magnetische veld grote schade aanricht aan het optische systeem dat natuurkundigen gebruiken om naar ultrakoude plasma's te kijken.

"Onze diagnose is laser-geïnduceerde fluorescentie, waar we een laserstraal op de ionen in ons plasma laten schijnen, en als de frequentie van de straal precies goed is, de ionen zullen fotonen zeer effectief verstrooien, "zei hij. "Je kunt een foto van ze maken en kijken waar de ionen zijn, en je kunt zelfs hun snelheid meten door naar de Dopplerverschuiving te kijken, net als het gebruik van een radarpistool om te zien hoe snel een auto beweegt. Maar de magnetische velden verschuiven eigenlijk rond de resonantiefrequenties, en we moeten de verschuivingen in het spectrum die afkomstig zijn van het magnetische veld ontwarren van de Doppler-verschuivingen die we willen observeren."

Dat bemoeilijkt experimenten aanzienlijk, en om de zaken nog ingewikkelder te maken, de magnetische velden veranderen dramatisch door het plasma.

"We hebben dus niet alleen te maken met een magnetisch veld, maar een magnetisch veld dat varieert in de ruimte, op een redelijk ingewikkelde manier, om de gegevens te begrijpen en uit te zoeken wat er in het plasma gebeurt, "Zei Killian. "We hebben een jaar lang geprobeerd te achterhalen wat we zagen toen we de gegevens eenmaal hadden."

Het plasmagedrag in de experimenten wordt ook complexer gemaakt door het magnetische veld. Dat is precies waarom de vangtechniek zo nuttig zou kunnen zijn.

"Er is veel complexiteit als ons plasma zich uitbreidt over deze veldlijnen en de krachten begint te voelen en vast komt te zitten, "Zei Killian. "Dit is een heel gewoon fenomeen, maar het is erg ingewikkeld en iets dat we echt moeten begrijpen."

Een voorbeeld uit de natuur is de zonnewind, stromen hoogenergetisch plasma van de zon die de aurora borealis veroorzaken, of noorderlicht. Wanneer plasma van de zonnewind de aarde raakt, het interageert met het magnetische veld van onze planeet, en de details van die interacties zijn nog steeds onduidelijk. Een ander voorbeeld is onderzoek naar fusie-energie, waar natuurkundigen en ingenieurs hopen de omstandigheden in de zon na te bootsen om een ​​enorme voorraad schone energie te creëren.

Killian zei dat de quadrupool magnetische opstelling die hij, Gorman en Warrens gebruikten om hun ultrakoude plasma's te bottelen, vergelijkbaar met ontwerpen die onderzoekers op het gebied van fusie-energie ontwikkelden in de jaren zestig. Het plasma voor fusie moet ongeveer 150 miljoen graden Celsius zijn, en het magnetisch bevatten is een uitdaging, Bradshaw zei, deels vanwege onbeantwoorde vragen over hoe de plasma- en magnetische velden op elkaar inwerken en elkaar beïnvloeden.

"Een van de grootste problemen is het magnetisch veld lang genoeg stabiel genoeg te houden om de reactie daadwerkelijk in te dammen. "Zei Bradshaw. "Zodra er een kleine verstoring is in het magnetische veld, het groeit en 'pfft, ' de kernreactie is geruïneerd.

"Om het goed te laten werken, je moet de dingen echt houden, echt stabiel, "zei hij. "En daar weer, dingen op een heel mooie manier bekijken, ongerept laboratoriumplasma zou ons kunnen helpen beter te begrijpen hoe deeltjes interageren met het veld."