Forskere skaber plasma ved hjælp af nanotråde og lang bølgelængde, ultrakort-pulslaser

De tre klassiske fysiske tilstande - solide, flydende og gasformig - kan observeres i ethvert normalt køkken, for eksempel når du bringer en isterning i kog. Men hvis du opvarmer materialet endnu mere, så at et stofs atomer støder sammen og elektronerne adskiller sig fra dem, derefter opnås en anden tilstand:plasma. Mere end 99 procent af materialet i rummet er til stede i denne form, inde i stjerner for eksempel. Det er derfor ikke underligt, at fysikere er ivrige efter at studere sådant materiale. Desværre, at skabe og studere plasma på Jorden ved hjælp af den høje temperatur og det tryk, der findes inde i stjernerne, er ekstremt udfordrende af forskellige årsager. Fysikere ved Friedrich Schiller University i Jena har nu formået at løse nogle af disse problemer, og de har rapporteret om deres resultater i det anerkendte forskningstidsskrift Fysisk gennemgang X .

Nanotråde slipper lys igennem

"At opvarme materiale på en sådan måde, at plasma dannes, vi har brug for tilsvarende høj energi. Vi bruger generelt lys i form af en stor laser til at gøre dette, "forklarer Christian Spielmann fra University of Jena." Dog, dette lys skal være meget kortpulset, så materialet ikke straks ekspanderer, når det har nået den passende temperatur, men holder sammen som tæt plasma i en kort periode. "Der er et problem med denne eksperimentelle opsætning, dog:"Når laserstrålen rammer prøven, plasma skabes. Imidlertid, det begynder næsten umiddelbart at fungere som et spejl og afspejler en stor del af den indgående energi, som derfor ikke helt kan trænge ind i sagen. Jo længere laserpulsens bølgelængde er, jo mere kritisk problemet er, "siger Zhanna Samsonova, der spillede en ledende rolle i projektet.

For at undgå denne spejleffekt, forskerne i Jena brugte prøver lavet af siliciumtråde. Diameteren på sådanne ledninger - et par hundrede nanometer - er mindre end bølgelængden på omkring fire mikrometer af det indgående lys. "Vi var de første til at bruge en laser med en så lang bølgelængde til at skabe plasma, "siger Spielmann." Lyset trænger ind mellem ledningerne i prøven og opvarmer dem fra alle sider, så i et par picosekunder, skabes et betydeligt større volumen plasma, end hvis laseren reflekteres. Omkring 70 procent af energien formår at trænge ind i prøven. "Desuden takket være de korte laserpulser, det opvarmede materiale eksisterer lidt længere, før det ekspanderer. Endelig, ved hjælp af røntgenspektroskopi, forskere kan hente værdifuld information om materialets tilstand.

Maksimumværdier for temperatur og tæthed

"Med vores metode, det er muligt at opnå nye maksimumværdier for temperatur og densitet i et laboratorium, "siger Spielmann. Med en temperatur på omkring 10 millioner Kelvin, plasmaet er langt varmere end materiale på solens overflade, for eksempel. Spielmann nævner også samarbejdspartnerne i projektet. Til laserforsøgene, Jena -forskerne brugte en facilitet på Wiener Tekniske Universitet; prøverne kommer fra National Metrology Institute of Germany i Braunschweig; og computersimuleringer til bekræftelse af resultaterne kommer fra kolleger i Darmstadt og Düsseldorf.

Jena-teamets resultater er en banebrydende succes, tilbyder en helt ny tilgang til plasmaforskning. Teorier om plasmatilstand kan verificeres ved hjælp af eksperimenter og efterfølgende computersimuleringer. Dette vil gøre det muligt for forskere at forstå kosmologiske processer bedre. Ud over, forskerne udfører værdifuldt forberedende arbejde til installation af store apparater. For eksempel, den internationale partikelaccelerator, Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), er i øjeblikket under opførelse i Darmstadt og skulle være operationel omkring 2025. Takket være de nye oplysninger, det vil være muligt at vælge bestemte områder, der fortjener nærmere undersøgelse.