I fisici della Rice University hanno creato il primo plasma neutro raffreddato a laser al mondo, completando una ricerca di 20 anni che pone le basi per simulatori che ricreano stati esotici della materia trovati all'interno di Giove e delle stelle nane bianche.

I risultati sono dettagliati questa settimana sulla rivista Scienza e coinvolgono nuove tecniche per il raffreddamento laser di nuvole di plasma in rapida espansione a temperature circa 50 volte più basse dello spazio profondo.

"Non conosciamo ancora il vantaggio pratico, ma ogni volta che i fisici hanno raffreddato con il laser un nuovo tipo di cosa, ha aperto un intero mondo di possibilità, " ha detto il capo scienziato Tom Killian, professore di fisica e astronomia alla Rice. "Nessuno aveva previsto che atomi e ioni di raffreddamento laser avrebbero portato agli orologi o alle scoperte più accurati del mondo nell'informatica quantistica. Lo facciamo perché è una frontiera".

Killian e gli studenti laureati Tom Langin e Grant Gorman hanno utilizzato 10 laser di diverse lunghezze d'onda per creare e raffreddare il plasma neutro. Hanno iniziato vaporizzando il metallo di stronzio e usando una serie di raggi laser intersecanti per intrappolare e raffreddare uno sbuffo di atomi di stronzio delle dimensioni della punta del dito di un bambino. Prossimo, hanno ionizzato il gas ultrafreddo con un'esplosione di 10 nanosecondi da un laser a impulsi. Togliendo un elettrone da ogni atomo, l'impulso converte il gas in un plasma di ioni ed elettroni.

L'energia dell'esplosione ionizzante fa sì che il plasma appena formato si espanda rapidamente e si dissipi in meno di un millesimo di secondo. La scoperta chiave di questa settimana è che gli ioni in espansione possono essere raffreddati con un altro set di laser dopo la creazione del plasma. Killian, Langin e Gorman descrivono le loro tecniche nel nuovo articolo, aprendo la strada al loro laboratorio e ad altri per produrre plasmi ancora più freddi che si comportano in modo strano, modi inspiegabili.

Il plasma è una miscela elettricamente conduttiva di elettroni e ioni. È uno dei quattro stati fondamentali della materia; ma a differenza dei solidi, liquidi e gas, che sono familiari nella vita quotidiana, i plasmi tendono a verificarsi in luoghi molto caldi come la superficie del sole o un fulmine. Studiando i plasmi ultrafreddi, Il team di Killian spera di rispondere a domande fondamentali su come si comporta la materia in condizioni estreme di alta densità e bassa temperatura.

Per fare i suoi plasmi, il gruppo parte dal raffreddamento laser, un metodo per intrappolare e rallentare le particelle con raggi laser intersecanti. Meno energia ha un atomo o uno ione, più fa freddo, e più lentamente si muove in modo casuale. Il raffreddamento laser è stato sviluppato negli anni '90 per rallentare gli atomi fino a renderli quasi immobili, o solo pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto.

"Se un atomo o uno ione si muove, e ho un raggio laser che si oppone al suo moto, mentre disperde i fotoni dal raggio, riceve dei colpi di slancio che lo rallentano, "Ha detto Killian. "Il trucco è assicurarsi che la luce sia sempre diffusa da un laser che si oppone al movimento della particella. Se lo fai, la particella rallenta, rallenta e rallenta."

Durante una borsa di studio post-dottorato presso il National Institute of Standards and Technology di Bethesda, Md., nel 1999, Killian ha aperto la strada al metodo di ionizzazione per creare plasma neutro da un gas raffreddato al laser. Quando si unì alla facoltà di Rice l'anno successivo, ha iniziato a cercare un modo per rendere i plasmi ancora più freddi. Una motivazione era quella di ottenere "un forte accoppiamento, "un fenomeno che avviene naturalmente nei plasmi solo in luoghi esotici come le stelle nane bianche e il centro di Giove.

"Non possiamo studiare plasmi fortemente accoppiati in luoghi dove si trovano naturalmente, " Ha detto Killian. "Il raffreddamento laser dei plasmi neutri ci consente di creare plasmi fortemente accoppiati in un laboratorio, in modo che possiamo studiare le loro proprietà"

"Nei plasmi fortemente accoppiati, c'è più energia nelle interazioni elettriche tra le particelle che nell'energia cinetica del loro movimento casuale, " ha detto Killian. "Ci concentriamo principalmente sugli ioni, che si sentono, e riorganizzarsi in risposta alle posizioni dei loro vicini. Questo è ciò che significa accoppiamento forte."

Poiché gli ioni hanno cariche elettriche positive, si respingono a vicenda con la stessa forza che fa drizzare i capelli se si caricano di elettricità statica.

"Gli ioni fortemente accoppiati non possono essere vicini l'uno all'altro, così cercano di trovare l'equilibrio, un accordo in cui la repulsione da tutti i loro vicini è equilibrata, " ha detto. "Questo può portare a strani fenomeni come plasmi liquidi o addirittura solidi, che sono molto al di fuori della nostra normale esperienza."

Nella norma, plasmi debolmente accoppiati, queste forze repulsive hanno solo una piccola influenza sul movimento degli ioni perché sono di gran lunga superate dagli effetti dell'energia cinetica, o calore.

"Le forze repulsive sono normalmente come un sussurro in un concerto rock, "Ha detto Killian. "Sono sommersi da tutto il rumore cinetico nel sistema."

Al centro di Giove o di una nana bianca, però, l'intensa gravità comprime gli ioni insieme così strettamente che le forze repulsive, che diventano molto più forti a distanze più brevi, avere la meglio. Anche se la temperatura è piuttosto alta, ioni diventano fortemente accoppiati.

Il team di Killian crea plasmi di ordini di grandezza inferiori in densità rispetto a quelli all'interno dei pianeti o delle stelle morte, ma abbassando la temperatura aumentano il rapporto tra le energie elettriche e quelle cinetiche. A temperature fino a un decimo di Kelvin sopra lo zero assoluto, La squadra di Killian ha visto le forze repulsive prendere il sopravvento.

"Il raffreddamento laser è ben sviluppato nei gas di atomi neutri, Per esempio, ma le sfide sono molto diverse nei plasmi, " Egli ha detto.

"Siamo solo all'inizio dell'esplorazione delle implicazioni dell'accoppiamento forte nei plasmi ultrafreddi, " ha detto Killian. "Per esempio, cambia il modo in cui il calore e gli ioni si diffondono attraverso il plasma. Possiamo studiare questi processi ora. Spero che questo migliorerà i nostri modelli di esotico, plasmi astrofisici fortemente accoppiati, ma sono sicuro che faremo anche scoperte che non abbiamo ancora sognato. Questo è il modo in cui funziona la scienza".

La ricerca è stata supportata dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'Aeronautica Militare e dall'Ufficio per le scienze del Dipartimento dell'Energia.