Næste op:Ultrakølede simulatorer af supertætte stjerner

Rice University fysikere har skabt verdens første laserkølede neutrale plasma, færdiggøre en 20-årig quest, der sætter scenen for simulatorer, der genskaber eksotiske tilstande af stof, der findes inde i Jupiter og hvide dværgstjerner.

Resultaterne er detaljeret i denne uge i journalen Videnskab og involvere nye teknikker til laserkøling af skyer med hurtigt ekspanderende plasma til temperaturer omkring 50 gange koldere end dybt rum.

"Vi kender ikke den praktiske gevinst endnu, men hver gang fysikere har laserafkølet en ny slags, det har åbnet en hel verden af ​​muligheder, "sagde forsker Tom Killian, professor i fysik og astronomi ved Rice. "Ingen forudsagde, at laserkølingsatomer og ioner ville føre til verdens mest præcise ure eller gennembrud inden for kvanteberegning. Vi gør dette, fordi det er en grænse."

Killian og kandidatstuderende Tom Langin og Grant Gorman brugte 10 lasere med forskellige bølgelængder til at skabe og afkøle det neutrale plasma. De startede med at fordampe strontiummetal og bruge et sæt krydsende laserstråler til at fange og afkøle et pust strontiumatomer på størrelse med et barns fingerspids. Næste, de ioniserede den ultrakølede gas med et blæsning på 10 nanosekunder fra en pulserende laser. Ved at fjerne en elektron fra hvert atom, pulsen konverterede gassen til et plasma af ioner og elektroner.

Energi fra den ioniserende eksplosion får det nydannede plasma til at ekspandere hurtigt og forsvinde på mindre end en tusendels sekund. Denne uges vigtigste fund er, at de ekspanderende ioner kan afkøles med et andet sæt lasere, efter at plasmaet er skabt. Killian, Langin og Gorman beskriver deres teknikker i det nye papir, rydder vejen for deres laboratorium og andre til at lave endnu koldere plasmaer, der opfører sig underligt, uforklarlige måder.

Plasma er en elektrisk ledende blanding af elektroner og ioner. Det er en af ​​fire grundlæggende materielle tilstande; men i modsætning til faste stoffer, væsker og gasser, som er velkendte i dagligdagen, plasma har en tendens til at forekomme på meget varme steder som overfladen af ​​solen eller et lyn. Ved at studere ultrakølede plasmaer, Killians team håber at besvare grundlæggende spørgsmål om, hvordan stof opfører sig under ekstreme forhold med høj densitet og lav temperatur.

For at lave sine plasmaer, gruppen starter med laserkøling, en metode til at fange og bremse partikler med skærende laserstråler. Jo mindre energi et atom eller ion har, jo koldere det er, og jo langsommere den bevæger sig tilfældigt. Laserkøling blev udviklet i 1990'erne til at bremse atomer, indtil de er næsten ubevægelige, eller bare et par milliontedele af en grad over det absolutte nul.

"Hvis et atom eller en ion bevæger sig, og jeg har en laserstråle modsat dens bevægelse, da den spreder fotoner fra strålen, får den momentumspark, der bremser den, "Killian sagde." Tricket er at sikre, at lys altid spredes fra en laser, der modsætter sig partikelens bevægelse. Hvis du gør det, partiklen bremser og bremser og bremser. "

Under et postdoktorstipendium ved National Institute of Standards and Technology i Bethesda, Md., i 1999, Killian var banebrydende for ioniseringsmetoden til at skabe neutralt plasma fra en laserkølet gas. Da han kom til Rices fakultet året efter, han startede en søgen efter en måde at gøre plasmaerne endnu koldere. En motivation var at opnå "stærk kobling, "et fænomen, der sker naturligt i plasma kun på eksotiske steder som hvide dværgstjerner og midten af ​​Jupiter.

"Vi kan ikke studere stærkt koblede plasmaer på steder, hvor de naturligt forekommer, "Sagde Killian." Laserkølende neutrale plasmaer giver os mulighed for at lave stærkt koblede plasmaer i et laboratorium, så vi kan studere deres egenskaber "

"I stærkt koblede plasmaer, der er mere energi i de elektriske interaktioner mellem partikler end i kinetisk energi ved deres tilfældige bevægelse, "Sagde Killian." Vi fokuserer mest på ionerne, som føler hinanden, og omarrangere sig selv som reaktion på deres nabos positioner. Det er, hvad stærk kobling betyder. "

Fordi ionerne har positive elektriske ladninger, de afviser hinanden med den samme kraft, der får dit hår til at stå oprejst, hvis det bliver ladet med statisk elektricitet.

"Stærkt koblede ioner kan ikke være i nærheden af ​​hinanden, så de forsøger at finde ligevægt, et arrangement, hvor frastødning fra alle deres naboer er afbalanceret, "sagde han." Dette kan føre til mærkelige fænomener som flydende eller endda faste plasmaer, som ligger langt uden for vores normale oplevelse. "

Normalt, svagt koblede plasmaer, disse frastødende kræfter har kun en lille indflydelse på ionbevægelsen, fordi de langt opvejes af virkningerne af kinetisk energi, eller varme.

"Frastødende kræfter er normalt som en hvisken ved en rockkoncert, "Sagde Killian." De er druknet af al den kinetiske støj i systemet. "

I midten af ​​Jupiter eller en hvid dværgstjerne, imidlertid, intens tyngdekraft presser ioner sammen så tæt, at frastødende kræfter, som vokser meget stærkere på kortere afstande, vinde ud. Selvom temperaturen er ret høj, ioner bliver stærkt koblede.

Killians team skaber plasmaer, der er størrelsesordener lavere i tæthed end dem inde i planeter eller døde stjerner, men ved at sænke temperaturen øger de forholdet mellem elektrisk-kinetisk energi. Ved temperaturer så lave som en tiendedel af en Kelvin over absolut nul, Killians team har set frastødende kræfter tage over.

"Laserkøling er veludviklet i gasser af neutrale atomer, for eksempel, men udfordringerne er meget forskellige i plasmaer, " han sagde.

"Vi er lige i begyndelsen af ​​at undersøge konsekvenserne af stærk kobling i ultrakølede plasmaer, "Sagde Killian." For eksempel, det ændrer den måde, hvorpå varme og ioner diffunderer gennem plasmaet. Vi kan studere disse processer nu. Jeg håber, at dette vil forbedre vores eksotiske modeller, stærkt koblede astrofysiske plasmaer, men jeg er sikker på, at vi også vil gøre opdagelser, som vi ikke har drømt om endnu. Sådan fungerer videnskaben. "

Forskningen blev støttet af Air Force Office of Scientific Research og Department of Energy's Office of Science.