Ученые поймали «в бутылку» ультрахолодную плазму
Традиционно для образования плазмы требуются очень высокие температуры, которые в природе можно встретить на Солнце или при ударе молнии. Однако ученые из Университета Райса решили узнать, как с помощью лазерного охлаждения (методики, разработанной в 1990-х годах для почти полного замедления атомов) можно создать низкотемпературную плазму с низкой плотностью. Такое вещество намного проще изучать в лабораторных условиях, чем его раскаленный аналог. В 2019 году команда опубликовала документ, в котором описывается метод создания плазмы с лазерным охлаждением, которая примерно в 50 раз холоднее, чем «естественная» плазма в космосе.
Плазма, с которой ученые работали в своих последних экспериментах, описывается как самая холодная в мире: ее температура составляет около одного градуса выше абсолютного нуля, или -272 °C. Эта ультрахолодная плазма быстро расширяется сразу после создания, полностью рассеиваясь всего за несколько тысячных долей секунды. Используя установку с квадрупольным магнитом, которая похожа на системы, применяемые для удержания плазмы в экспериментальных термоядерных энергетических системах, команда смогла улавливать и удерживать ультрахолодную плазму на месте в течение нескольких сотых секунды – что уже немало.
«Наша работа обеспечивает чистую, управляемую среду для изучения нейтральной плазмы в гораздо более сложных местах, таких как атмосфера Солнца или белые карликовые звезды», — говорит Том Киллиан, автор исследования. «Начав с простой, небольшой, хорошо управляемой и понятной системы, вы сможете убрать часть естественного беспорядка и по-настоящему изолировать явление, которое хотите изучить».
Примером этого беспорядка являются взаимодействия, которые происходят внутри термоядерных реакторов, где потоки плазмы нагреваются до температур в 150 миллионов ° C и стабилизируются магнитами для выработки электричества. Удерживание плазмы на месте достаточно долго, чтобы эти реакции произошли, или понимание причин, по которым этого не происходит, является ключом к поиску чистой энергии ядерного синтеза.
«Одна из основных проблем — поддерживать магнитное поле достаточно стабильным в течение достаточно длительного времени, чтобы действительно сдерживать реакцию», — поясняет соавтор Стивен Брэдшоу. «Как только в магнитном поле появляется небольшое возмущение, оно нарастает и – бум! — ядерная реакция разрушается. Для того, чтобы все работало хорошо, вы должны поддерживать стабильность. Изучая чистую, нетронутую помехами лабораторную плазму, мы могли бы лучше понять то, как частицы взаимодействуют с полем».
Так называемая «ультрахолодная плазма в бутылках» может найти применение и в других областях науки. Она могла бы позволить исследователям изучить реакции, которые происходят, когда плазма в солнечных ветрах, исходящих от Солнца, сталкивается с магнитным полем Земли, или исследовать особенности солнечной атмосферы, которые в противном случае было бы трудно увидеть с помощью наших камер и дорогих научных инструментов.
Изучать раскаленную до сотен тысяч градусов плазму обычно очень сложно, однако исследователи нашли выход из этой непростой ситуации