Ученые получили ультрахолодную плазму с бесконечным сроком жизни. Ранее этот новый физический объект мог существовать около тысячных долей секунды. Ультрахолодную плазму можно будет использовать при создании новых ионных микроскопов с высоким разрешением и для моделирования горячей плазмы в термоядерных реакторах.
Научная группа из Объединенного института высоких температур РАН (Москва) создала долгоживущую ультрахолодную плазму, возбуждая лазером охлажденные до -273°С атомы кальция. Полученный таким образом новый физический объект будет полезен при разработке ионных микроскопов с высоким разрешением, в которых плазма служит источником заряженных частиц, необходимых для формирования изображения. Также при помощи стационарной ультрахолодной плазмы можно будет создать квантовый симулятор для моделирования горячей плазмы в термоядерных реакторах и астрофизических объектах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Ультрахолодная плазма — это ионизированный газ, который имеет очень низкую температуру — всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Ее можно использовать в качестве универсальной и экспериментально доступной модельной системы для изучения плазмы различной природы, в том числе плазмы термоядерных реакторов и горячей плазмы в астрофизических процессах.
Кроме того, ультрахолодная плазма может служить источником ионов в ионных микроскопах, в которых для формирования изображения необходимо, чтобы через исследуемый объект прошел пучок заряженных частиц. Главная сложность, с которой сталкиваются ученые при создании ультрахолодной плазмы, состоит в том, что она имеет ограниченное время жизни — около тысячных долей секунды. По истечении этого времени заряженные частицы газа разлетаются, и плазма исчезает. Ученые пытаются решить эту проблему, разрабатывая новые способы создания плазмы для придания ей стабильности.
Фотография ионов стационарной плазмы кальция. Источник: Борис Зеленер
Ученые стабильную ультрахолодную плазму, которая может существовать бесконечно. Авторы поместили группу атомов кальция в магнитооптическую ловушку — устройство для охлаждения и удержания частиц при помощи эффекта лазерного охлаждения. В результате исследователи получили облако атомов, на которое непрерывно подавали лазерное излучение. Под действием лазера от атомов кальция отрывали внешние электроны, в результате чего образовались ионы и электроны — заряженные частицы, которые сформировали плазму.
Теоретические расчеты и эксперимент показали, что в плазме все время эксперимента сохранялась стабильно низкая температура — порядка -271°С, — а также постоянная концентрация ионов. Благодаря такой низкой температуре заряженные частицы оставались практически неподвижны и сильно взаимодействовали между собой. Эти свойства стационарной ультрахолодной плазмы позволяют проводить эксперименты с высокой точностью, а также моделировать горячую плазму.
Экспериментальная установка для охлаждения атомов кальция. Источник: пресс-служба РНФ
«Созданная нами ультрахолодная плазма впервые имеет бесконечный срок жизни за счет непрерывного захвата охлажденных атомов и их ионизации лазером. Ранее ученые использовали ионизацию холодных атомов коротким лазерным импульсом — из-за этого плазма существовала непродолжительное время. У нас же создается непрерывный поток новых холодных ионов и электронов, что позволяет наблюдать стационарную ультрахолодную плазму.
- Борис Борисович Зеленер, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Лазерного охлаждения и ультрахолодной плазмы Объединенного института высоких температур РАН
В дальнейшем авторы планируют исследовать, как различная сила магнитного поля и интенсивность лазерного излучения будут влиять на свойства плазмы, в частности, ее температуру, плотность и возможную пространственную структуру.
Изображения представлены пресс-службой РНФ
Нет комментариев