Fizycy po raz pierwszy zatrzymują ultrazimną plazmę w pułapce magnetycznej

Przechwytywanie pioruna w pułapce to definicja trudnego zadania, ale teraz fizycy znaleźli sposób na przechowywanie ultrazimnej plazmy w magnetycznej pułapce [magnetic bottle], co jest przełomem, który może przybliżyć fizyków o krok bliżej zrozumienia wiatrów słonecznych i osiągnięcia syntezy jądrowej.

Plazma to jeden z czterech stanów skupienia materii, składający się z jonów dodatnich i ujemnych wolnych elektronów. Ale w przeciwieństwie do ciał stałych, cieczy i gazów, ma tendencję do występowania tylko w najbardziej ekstremalnych miejscach, takich jak smuga zjonizowanego powietrza, którą nazywamy piorunem, w tańczącym wzorze zorzy polarnej lub na powierzchni słońca – sprawia to, że ​​badanie plazmy jest niezwykle trudne.

Trudność tę pogarsza tylko fakt, że plazmy w zorzy polarnej lub na powierzchni słońca oddziałują ze złożonym polem magnetycznym w sposób, którego naukowcy jeszcze nie w pełni zrozumieli.

„W całej atmosferze słonecznej (silne) pole magnetyczne ma wpływ na zmianę wszystkiego w stosunku do tego, czego można by się spodziewać bez pola magnetycznego, ale w bardzo subtelny i skomplikowany sposób, łatwo można się pomylić, jeśli naprawdę dobrze nie rozmieniasz pola magnetycznego”- powiedział współautor badania Peter Bradshaw, astrofizyk z Rice University w Houston w oświadczeniu.

Zimniejsze cząstki poruszają się wolniej, co pozwala na znacznie dokładniejsze pomiary ich zachowania. Aby dowiedzieć się, w jaki sposób plazma oddziałuje z polami magnetycznymi, naukowcy schłodzili swoją plazmę, wykonaną ze strontu, do około 1 stopnia powyżej zera absolutnego (około minus 272 stopni Celsjusza) za pomocą techniki zwanej chłodzeniem laserowym.

Można by pomyśleć, że wystrzelenie lasera w coś podgrzeje go, ale jeśli fotony (cząsteczki światła) w wiązce lasera podróżują w przeciwnym kierunku niż poruszające się cząsteczki plazmy, mogą w rzeczywistości spowodować spowolnienie i ochłodzenie tych cząstek plazmy.

Po ochłodzeniu plazmy naukowcy na chwilę uwięzili ją siłami z otaczających magnesów, co pozwoliło im ją zbadać, zanim uległa rozproszeniu. Następnie postanowili zrozumieć oddziaływanie między jonami i elektronami plazmy a polem magnetycznym, które jest bardzo zróżnicowane w całej plazmie. Interakcja była tak złożona, że ​​pełne zinterpretowanie danych zajęło im rok.

Chłodzona laserem chmura plazmy szybko rozszerza się wewnątrz pułapki magnetycznej. (Zdjęcie: T.Killian / Rice University)

„Mierzymy właściwości plazmy poprzez rozpraszanie światła o jony w plazmie, ale pole magnetyczne naprawdę to komplikuje” – powiedział Tom Killian i korespondent Rice Dean of Natural Sciences. Dzieje się tak, ponieważ pole magnetyczne zmienia sposób, w jaki jony rozpraszają światło lasera w bardzo nieprzewidywalny sposób.

„Co więcej, pole magnetyczne zmienia się w przestrzeni w całej plazmie” – powiedział Killian – „Musieliśmy uporządkować wszystkie te efekty”, aby opisać gęstości i prędkości plazmy w pułapce magnetycznej.

Opis wskazuje na szybko poruszające się elektrony o niewielkiej masie są ciasno przyczepione do linii pola magnetycznego i spiralnie wokół niego, a jony dodatnie trzymane są w pułapce magnetycznej przez przyciąganie do ujemnie naładowanych elektronów. Autorzy artykułu spekulują, że pole magnetyczne powstrzymywało elektrony i jony przed łączeniem się w obojętne atomy, a tym samym utrzymywało całość w stanie plazmy.

Technika pułapki magnetycznej otwiera szerokie możliwości badań plazmy. Jeśli fizycy potrafią utrzymać ultra-zimną plazmę w pułapce, mogą zbadać zachowanie złożonych z plazmy obiektów gwiezdnych, takich jak białe karły, lub rozpocząć odtwarzanie warunków fuzji wewnątrz słońca.

Następnie naukowcy powiedzieli, że zaprojektują siatkę laserową, która zatka wszelkie dziury w polu magnetycznym pułapki, przez które jony mogłyby uciec z eksperymentu. Mają również nadzieję na dalsze badanie procesów zachodzących wewnątrz uwięzionej plazmy, takich jak sposób, w jaki jony i elektrony mogą się rekombinować lub jak energia i masa przemieszczają się w układzie.

„Nasze nowe umiejętności mogą dać świetną okazję do zbadania tych zjawisk” – powiedział Killian. „Podobne badania są prawdopodobnie ważne dla zrozumienia innych układów, na których trudno jest przeprowadzić eksperymenty, takich jak białe karły”.

Źródła: Ben Turner

Bottling the world’s coldest plasma

Zdjęcia: Jeff Fitlow/Rice University

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x