Российские учёные разработали методику получения стабильной ультрахолодной плазмы. Это одно из агрегатных состояний вещества во Вселенной. Прежде физики могли создавать такую плазму в земных условиях только на очень короткие отрезки времени. Авторы работы придумали, как решить эту проблему. Их разработка поможет учёным исследовать многие явления во Вселенной, а также термоядерные процессы. Кроме того, работа имеет прикладное значение и может найти применение при создании новых ионных микроскопов.
Учёные из Объединённого института высоких температур РАН научились создавать стабильную долгоживущую ультрахолодную плазму. Её температура — около -273 °С. Такая плазма поможет учёным лучше понять многие явления во Вселенной, а также получить новые данные о термоядерных процессах. Кроме того, долгоживущая ультрахолодная плазма позволит усовершенствовать ионные микроскопы с высоким разрешением, рассказали RT в пресс-службе РНФ. Исследование поддержано грантом фонда. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Напомним, плазма — это четвёртое агрегатное состояние вещества, в котором оно представляет собой ионизированный газ. То есть смесь положительно или отрицательно заряженных атомов (ионов) и свободных электронов. В состояние плазмы обычный газ переходит под воздействием электромагнитного излучения и высоких температур, а в лабораторных условиях — под влиянием лазерного излучения. Из плазмы состоят звёзды, солнечный ветер, межзвёздное пространство и т. д. Горячая плазма применяется в промышленности, например при работе с металлическими и керамическими материалами. Холодную плазму, температура которой составляет около 30 °С, активно применяют в косметологии, медицине и сельском хозяйстве.
Существует также ультрахолодная плазма, температура которой находится в районе абсолютного нуля по шкале Кельвина, или около -273 ° по шкале Цельсия. Её можно использовать для изучения плазмы различной природы — например, образующейся в термоядерных реакторах.
Однако до сих пор получить ультрахолодную плазму учёным удавалось только на очень короткие отрезки времени — буквально миллионные доли секунды. Дело в том, что единственным способом получения такой плазмы было облучение атомов нано- и фемтосекундными вспышками лазера.
Авторы работы смогли решить эту проблему. Они разработали методику, которая позволяет получать стабильную и долгоживущую ультрахолодную плазму.
Учёные поместили атомы кальция в магнитооптическую ловушку — устройство для охлаждения и удержания частиц. В нём под постоянным воздействием лазера сохранялось стабильное облако охлаждённых до абсолютного нуля ионов кальция и электронов — частиц, образующих плазму.
По словам авторов работы, на протяжении всего эксперимента в плазме сохранялась стабильно низкая температура — около -271 °С. Благодаря этому частицы оставались практически неподвижными и сильно взаимодействовали между собой.
«Созданная нами ультрахолодная плазма впервые имеет бесконечный срок жизни за счёт непрерывного захвата охлаждённых атомов и их ионизации лазером. Ранее учёные использовали ионизацию холодных атомов коротким лазерным импульсом — из-за этого плазма существовала непродолжительное время. У нас же создаётся непрерывный поток новых холодных ионов и электронов, что позволяет наблюдать стационарную ультрахолодную плазму», — рассказал RT руководитель проекта, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Лазерного охлаждения и ультрахолодной плазмы Объединённого института высоких температур РАН Борис Зеленер.
Полученная плазма позволит моделировать состояние плазмы в астрофизических процессах, а также улучшить ионные микроскопы, в которых изображение получается в результате прохождения через объект пучка ионов.
На следующем этапе работы физики намерены изучить, как на свойства плазмы влияют изменения силы магнитного поля и интенсивности лазерного излучения.