Вечная ультрахолодная плазма

Научная группа из Объединенного института высоких температур РАН создала стабильную ультрахолодную плазму, которая может существовать бесконечно. Новый физический объект будет полезен при разработке ионных микроскопов с высоким разрешением. С его помощью также можно будет создать квантовый симулятор для моделирования горячей плазмы в термоядерных реакторах и астрофизических объектах

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. 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.

 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

Научная группа из Объединенного института высоких температур РАН (Москва) создала 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 в течение всего эксперимента сохранялась стабильно низкая температура — порядка −271 °С, — а также постоянная концентрация ионов. Благодаря такой низкой температуре заряженные частицы оставались практически неподвижными и сильно взаимодействовали между собой. Эти свойства стационарной ультрахолодной плазмы позволяют проводить эксперименты с высокой точностью и моделировать горячую плазму.

 В дальнейшем авторы планируют исследовать, как различная сила магнитного поля и интенсивность лазерного излучения будут влиять на свойства плазмы, в частности на ее температуру, плотность и возможную пространственную структуру

«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», — рассказывает руководитель проекта Борис 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 на ее температуру, плотность и возможную пространственную структуру.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters.

По материалам пресс-службы РНФ