Впервые получена сверххолодная нейтральная плазма с температурой электронов ниже 1 кельвина в Университете штата Колорадо

Исследователи Университета штата Колорадо (Colorado State University) впервые получили сверххолодную нейтральную плазму, сочетая технологию лазерного охлаждения с сильным магнитным полем. Результаты измерений показывают, что температура электронов в этой плазме менее чем на 1 кельвин отличается от абсолютного нуля, что является одной из самых низких температур электронов, когда-либо зарегистрированных в плазме.

Соответствующее исследование опубликовано в журнале Physics of Plasmas. Предложенный в статье новый метод способствует проверке теорий плазмы в более контролируемых экспериментальных условиях и улучшению вычислительных моделей поведения плазмы в экстремальных средах. Исследователи полагают, что этот результат может служить ориентиром для проектирования будущих систем термоядерной энергетики, а также для изучения астрофизических систем, таких как белые карлики.

Плазму часто называют четвёртым состоянием вещества; она составляет подавляющее большинство видимой материи во Вселенной. Когда газ получает достаточно высокую энергию, атомы ионизируются, образуя систему, состоящую из свободных электронов, положительно заряженных ионов и частично нейтральных атомов. Плазма широко распространена внутри звёзд и может быть создана в лабораторных условиях с помощью электрической энергии, лазеров или тепловой энергии.

В отличие от высокотемпературной плазмы, команда Университета штата Колорадо сначала охладила атомы почти до абсолютного нуля, а затем преобразовала их в плазму. Низкие температуры значительно замедляют движение заряженных частиц, что позволяет исследователям более точно измерять отклик частиц и сравнивать экспериментальные результаты с существующими теоретическими прогнозами.

Робертс (справа) и Бейкер работают вместе в лаборатории. Источник изображения: Университет штата Колорадо/Колледж естественных наук

Первый автор статьи, аспирант Университета штата Колорадо Райан Бейкер (Ryan C. Baker), отметил, что плазменные системы при низких температурах становятся исключительно сложными. Он сказал, что в условиях экстремально низких температур экспериментально полученная система одновременно содержит сильно связанные атомы, слабо связанные атомы и свободные электроны, и эти компоненты взаимодействуют между собой непредсказуемым образом. Чтобы извлечь полезную информацию из экспериментальных данных, исследовательская группа разработала новый подход к анализу, основанный на моделировании.

Это исследование имеет потенциальную ценность для исследований в области термоядерной энергетики. Термоядерным реакторам необходимо воспроизводить на Земле плазменную среду, аналогичную той, что существует внутри звёзд, однако такая среда характеризуется чрезвычайно высокими температурами, сложной структурой и низкой стабильностью. Проблема удержания плазмы в течение достаточного времени и поддержания её в управляемом состоянии является одной из ключевых научных и инженерных задач на пути к практическому использованию термоядерной энергии.

В условиях низких температур электрическое взаимодействие между частицами становится более выраженным по сравнению с тепловым движением частиц. Поэтому плазма, полученная командой Университета штата Колорадо, может использоваться для изучения отклика заряженных частиц на магнитное поле. Магнитное поле способно ограничивать движение электронов, что тесно связано с удержанием термоядерной плазмы и построением соответствующих моделей.

Исследование возглавил профессор физики Университета штата Колорадо Джейкоб Робертс (Jacob Roberts). Он отметил, что создание экспериментальных условий, пригодных для проверки сложных теорий плазмы, — непростая задача, однако полученные результаты помогают исследователям определить возможные границы экспериментов с низкотемпературной плазмой, а также уточнить вопросы, требующие дальнейшего углублённого изучения в фундаментальных исследованиях термоядерной энергетики.

Робертс также указал, что эти экспериментальные результаты могут быть использованы для понимания плотной плазмы, которая может существовать в белых карликах и других экстремальных средах Вселенной. Поскольку исследователям трудно получить непосредственный доступ к таким небесным объектам для сбора данных, контролируемое моделирование в лабораторных условиях имеет важное значение для проверки соответствующих теорий.

Согласно статье, исследователи могут дополнительно снижать температуру плазмы с помощью магнитного поля в зависимости от экспериментальных потребностей. Экспериментальные результаты также согласуются с более ранними теоретическими прогнозами о предельно низкой температуре плазмы. Робертс отметил, что на протяжении десятилетий научное сообщество обсуждало, насколько низкой может быть температура такой плазмы, и данная работа не только создала в лаборатории среду с экстремально холодными электронами, но и продемонстрировала новый путь к созданию ряда экстремальных плазменных условий.

Статья озаглавлена «Влияние намагниченности на нагрев электронов в низкоплотной сверххолодной нейтральной плазме», её авторы включают Ryan C. Baker и других; опубликована в журнале Physics of Plasmas.