Ученые поймали «в бутылку» ультрахолодную плазму
Изучать раскаленную до сотен тысяч градусов плазму обычно очень сложно, однако исследователи нашли выход из этой непростой ситуации
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.
