I tre stati fisici classici:solido, liquido e gassoso:può essere osservato in qualsiasi cucina normale, ad esempio quando si porta a ebollizione un cubetto di ghiaccio. Ma se riscaldi ulteriormente il materiale, in modo che gli atomi di una sostanza si scontrano e gli elettroni si separano da loro, poi si raggiunge un altro stato:plasma. Più del 99 percento del materiale nello spazio è presente in questa forma, all'interno delle stelle per esempio. Non c'è quindi da meravigliarsi se i fisici sono desiderosi di studiare tale materiale. Sfortunatamente, creare e studiare i plasmi sulla Terra usando l'alta temperatura e la pressione che esistono all'interno delle stelle è estremamente impegnativo per vari motivi. I fisici della Friedrich Schiller University di Jena sono ora riusciti a risolvere alcuni di questi problemi, e hanno riportato i loro risultati nella rinomata rivista di ricerca Revisione fisica X .

I nanofili lasciano passare la luce

"Per riscaldare il materiale in modo tale da formare il plasma, abbiamo bisogno di un'energia corrispondentemente alta. Generalmente usiamo la luce sotto forma di un grande laser per fare questo, " spiega Christian Spielmann dell'Università di Jena. "Tuttavia, questa luce deve essere a impulsi molto brevi, in modo che il materiale non si espanda immediatamente quando ha raggiunto la temperatura appropriata, ma tiene insieme come plasma denso per un breve periodo." C'è un problema con questa configurazione sperimentale, però:"Quando il raggio laser colpisce il campione, viene creato il plasma. Però, inizia quasi subito ad agire come uno specchio e riflette gran parte dell'energia in entrata, che quindi non riesce a penetrare completamente la materia. Maggiore è la lunghezza d'onda dell'impulso laser, più critico è il problema, "dice Zhanna Samsonova, che ha avuto un ruolo di primo piano nel progetto.

Per evitare questo effetto specchio, i ricercatori di Jena hanno usato campioni fatti di fili di silicio. Il diametro di tali fili, poche centinaia di nanometri, è inferiore alla lunghezza d'onda di circa quattro micrometri della luce in arrivo. "Siamo stati i primi a utilizzare un laser con una lunghezza d'onda così lunga per la creazione di plasma, " dice Spielmann. "La luce penetra tra i fili nel campione e li riscalda da tutti i lati, in modo che per pochi picosecondi, viene creato un volume di plasma significativamente maggiore rispetto a quando il laser viene riflesso. Circa il 70% dell'energia riesce a penetrare nel campione." Inoltre, grazie ai brevi impulsi laser, il materiale riscaldato esiste un po' più a lungo prima di espandersi. Finalmente, utilizzando la spettroscopia a raggi X, i ricercatori possono recuperare preziose informazioni sullo stato del materiale.

Valori massimi per temperatura e densità

"Con il nostro metodo, è possibile ottenere nuovi valori massimi di temperatura e densità in laboratorio, " dice Spielmann. Con una temperatura di circa 10 milioni di Kelvin, il plasma è molto più caldo del materiale sulla superficie del Sole, Per esempio. Spielmann cita anche i partner di cooperazione nel progetto. Per gli esperimenti laser, gli scienziati di Jena hanno utilizzato una struttura presso l'Università di Tecnologia di Vienna; i campioni provengono dall'Istituto nazionale di metrologia della Germania a Braunschweig; e le simulazioni al computer per confermare i risultati provengono dai colleghi di Darmstadt e Düsseldorf.

I risultati del team Jena sono un successo pionieristico, offrendo un approccio completamente nuovo alla ricerca sul plasma. Le teorie sullo stato del plasma possono essere verificate attraverso esperimenti e successive simulazioni al computer. Ciò consentirà ai ricercatori di comprendere meglio i processi cosmologici. Inoltre, gli scienziati stanno svolgendo un prezioso lavoro preparatorio per l'installazione di apparati su larga scala. Per esempio, l'acceleratore internazionale di particelle, Struttura per la ricerca sugli antiprotoni e gli ioni (FAIR), è attualmente in costruzione a Darmstadt e dovrebbe diventare operativo intorno al 2025. Grazie alle nuove informazioni, sarà possibile selezionare aree specifiche che meriterebbero un approfondimento.