Elektronisk køleskab:Ultrahurtig afkølingsmekanisme opdaget i nyt plasma

Forskere fra Cluster of Excellence "CUI:Advanced Imaging of Matter" har opnået et gennembrud-skabt en helt ny type plasma ved at kombinere state-of-the-art teknologier ved hjælp af ultrakorte laserpulser og ultrakølede atomgasser. De rapporterer om en ny elektronkølemekanisme, der forekommer i sådanne plasmaer i tidsskriftet Naturkommunikation .

Materiale findes i fire stater - solidt, gas, væske, og plasma - hvor plasma er den mest udbredte tilstand i det synlige univers. Den består af frit ladede partikler som ioner og elektroner. Plasma kan eksistere over et enormt område af temperaturer og tætheder, fra solens kerne til lyn eller flammer. Udfordringerne til at forstå plasmadynamikken er først at identificere universelle mekanismer og derefter sammenligne dem med et kontrolleret laboratorieforsøg. "Med det præsenterede arbejde, vi håber at bidrage til en bredere forståelse af grundlæggende processer, der forekommer i ekstreme plasmasystemer, som ikke er direkte tilgængelige for eksperimentel forskning, "Første forfatter Tobias Kroker fra forskergruppen til professor Dr. Markus Drescher i Institut for Fysik siger.

På Center for Optical Quantum Technologies på Universität Hamburg, forskerne køler og fanger atomer med laserlys. De bruger det intense lysfelt i en ultrakort laserpuls til at bryde atomer op i elektroner og ioner inden for 200 femtosekunder. Et femtosekund er en milliontedel af en milliarddel af et sekund. På grund af atomernes ekstremt lave starttemperatur, ionerne har temperaturer lavere end 40 millikelvin, som kun er en brøkdel over den lavest mulige temperatur i universet (0 Kelvin eller minus 273 grader på Celsius -skalaen). I modsætning, elektronerne er i første omgang meget varme med temperaturer på 5250 Kelvin, tæt på dem, der findes på solens overflade.

Varme elektroner direkte skabt af ultrakort laserpulsen begynder at flygte og efterlader et positivt ladet område, der fanger nogle af elektronerne i et ultrakoldt plasma. "En sådan plasmatilstand er aldrig blevet observeret før, "Siger Kroker. Forskerne fra grupperne af prof. Dr. Markus Drescher og prof. Dr. Klaus Sengstock observerede, at de fangede elektroner i plasmaet afkøles på ultrahurtige tidsskalaer og måler den endelige elektroniske temperatur. Desuden er de observerede, at plasmaet er stabilt over et par hundrede nanosekunder, hvilket er meget lang tid for sådanne systemer.

Sådanne ultrakølede plasmaer giver benchmarks for teoretiske modeller og kan kaste lys over ekstreme forhold, der findes i inertial indeslutningsfusion eller astronomiske objekter, såsom hvide dværge. Desuden, de resulterende ultrakølede elektroner er interessante i sig selv som en klar kilde til billeddannelse af biologiske prøver.