Aftapning af verdens koldeste plasma

Rice University fysikere har opdaget en måde at fange verdens koldeste plasma i en magnetisk flaske, en teknologisk præstation, der kunne fremme forskning i ren energi, rumvejr og astrofysik.

"For at forstå, hvordan solvinden interagerer med Jorden, eller at generere ren energi fra nuklear fusion, man skal forstå, hvordan plasma - en suppe af elektroner og ioner - opfører sig i et magnetfelt, " sagde Rice dekan for naturvidenskab Tom Killian, den tilsvarende forfatter til en offentliggjort undersøgelse om arbejdet i Fysisk gennemgangsbreve .

Brug af laserkølet strontium, Killian og kandidatstuderende Grant Gorman og MacKenzie Warrens lavede et plasma omkring 1 grad over det absolutte nulpunkt, eller cirka -272 grader Celsius, og fangede det kort med kræfter fra omgivende magneter. Det er første gang et ultrakoldt plasma er blevet magnetisk indespærret, og Killian, der har studeret ultrakolde plasmaer i mere end to årtier, sagde, at det åbner døren for at studere plasma i mange indstillinger.

"Dette giver en ren og kontrollerbar testbed til at studere neutrale plasmaer på langt mere komplekse steder, som solens atmosfære eller hvide dværgstjerner, " sagde Killian, en professor i fysik og astronomi. "Det er virkelig nyttigt at have plasmaet så koldt og at have disse meget rene laboratoriesystemer. Startende med en simpel, lille, velkontrolleret, Et velforstået system giver dig mulighed for at fjerne noget af rod og virkelig isolere det fænomen, du ønsker at se."

Det er vigtigt for studiets medforfatter Stephen Bradshaw, en Rice-astrofysiker, der har specialiseret sig i at studere plasmafænomener på solen.

"I hele solens atomosfære, det (stærke) magnetfelt har den effekt, at det ændrer alt i forhold til, hvad du ville forvente uden et magnetfelt, men på meget subtile og komplicerede måder, der virkelig kan gøre dig chokeret, hvis du ikke har en rigtig god forståelse af det, " sagde Bradshaw, lektor i fysik og astronomi.

Solfysikere får sjældent en klar observation af specifikke træk i solens atmosfære, fordi en del af atmosfæren ligger mellem kameraet og disse træk, og ikke-relaterede fænomener i den mellemliggende atmosfære slører, hvad de gerne vil observere.

"Desværre, på grund af dette synslinjeproblem, observationelle målinger af plasmaegenskaber er forbundet med ret stor usikkerhed, " sagde Bradshaw. "Men efterhånden som vi forbedrer vores forståelse af fænomenerne, og afgørende, bruge laboratorieresultaterne til at teste og kalibrere vores numeriske modeller, så kan vi forhåbentlig reducere usikkerheden i disse målinger."

Plasma er en af ​​stoffets fire grundlæggende tilstande, men i modsætning til faste stoffer, væsker og gasser, plasmaer er generelt ikke en del af hverdagen, fordi de har tendens til at forekomme på meget varme steder som solen, et lyn eller en lysflamme. Ligesom de varme plasmaer, Killians plasmaer er supper af elektroner og ioner, men de bliver kolde ved laserafkøling, en teknik udviklet for et kvart århundrede siden til at fange og bremse stof med lys.

Killian sagde, at den quadrupol magnetiske opsætning, der blev brugt til at fange plasmaet, er en standard del af den ultrakolde opsætning, som hans laboratorium og andre bruger til at lave ultrakolde plasmaer. Men at finde ud af, hvordan man fanger plasma med magneterne, var et vanskeligt problem, fordi magnetfeltet spiller ravage med det optiske system, som fysikere bruger til at se på ultrakolde plasmaer.

"Vores diagnostik er laser-induceret fluorescens, hvor vi lyser en laserstråle på ionerne i vores plasma, og hvis frekvensen af ​​strålen er helt rigtig, ionerne vil sprede fotoner meget effektivt, " sagde han. "Du kan tage et billede af dem og se, hvor ionerne er, og du kan endda måle deres hastighed ved at se på Doppler-forskydningen, ligesom at bruge en radarpistol til at se, hvor hurtigt en bil bevæger sig. Men magnetfelterne skifter faktisk rundt om resonansfrekvenserne, og vi er nødt til at skille de skift i spektret, der kommer fra magnetfeltet fra de Doppler-skift, vi er interesserede i at observere."

Det komplicerer eksperimenter betydeligt, og for at gøre tingene endnu mere komplicerede, magnetfelterne ændrer sig dramatisk i hele plasmaet.

"Så vi er nødt til at håndtere ikke kun et magnetfelt, men et magnetfelt, der varierer i rummet, på en rimelig kompliceret måde, for at forstå dataene og finde ud af, hvad der sker i plasmaet, " sagde Killian. "Vi brugte et år på bare at prøve at finde ud af, hvad vi så, når vi fik dataene."

Plasmaadfærden i eksperimenterne bliver også mere kompleks af magnetfeltet. Det er netop derfor, fangstteknikken kunne være så nyttig.

"Der er en masse kompleksitet, når vores plasma udvider sig over disse feltlinjer og begynder at mærke kræfterne og blive fanget, " sagde Killian. "Dette er et meget almindeligt fænomen, men det er meget kompliceret og noget, vi virkelig skal forstå."

Et eksempel fra naturen er solvinden, strømme af højenergiplasma fra solen, der forårsager aurora borealis, eller nordlys. Når plasma fra solvinden rammer Jorden, det interagerer med vores planets magnetfelt, og detaljerne i disse interaktioner er stadig uklare. Et andet eksempel er forskning i fusionsenergi, hvor fysikere og ingeniører håber at genskabe forholdene inde i solen for at skabe en enorm forsyning af ren energi.

Killian sagde, at den quadrupol magnetiske opsætning, at han, Gorman og Warrens brugte til at aftappe deres ultrakolde plasmaer ligner design, som fusionsenergiforskere udviklede i 1960'erne. Plasma til fusion skal være omkring 150 millioner grader Celsius, og magnetisk at indeholde det er en udfordring, Bradshaw sagde, dels på grund af ubesvarede spørgsmål om, hvordan plasma og magnetfelter interagerer og påvirker hinanden.

"Et af de største problemer er at holde magnetfeltet stabilt nok længe nok til faktisk at indeholde reaktionen, " sagde Bradshaw. "Så snart der er en lille form for forstyrrelse i magnetfeltet, det vokser og 'pfft, ' atomreaktionen er ødelagt.

"For at det skal fungere godt, du skal virkelig beholde tingene, virkelig stabil, sagde han. Og der igen, ser på tingene i en rigtig flot, uberørt laboratorieplasma kunne hjælpe os med bedre at forstå, hvordan partikler interagerer med feltet."