I ricercatori del Cluster of Excellence "CUI:Advanced Imaging of Matter" hanno raggiunto una svolta, creando un tipo completamente nuovo di plasma combinando tecnologie all'avanguardia utilizzando impulsi laser ultracorti e gas atomici ultrafreddi. Nella rivista riportano su un nuovo meccanismo di raffreddamento degli elettroni che si verifica in tali plasmi Comunicazioni sulla natura .

La materia esiste in quattro stati:solido, gas, liquido, e plasma:il plasma è lo stato più abbondante nell'universo visibile. È costituito da particelle cariche libere come ioni ed elettroni. I plasmi possono esistere in un'ampia gamma di temperature e densità, dal nucleo del sole ai fulmini o alle fiamme. Le sfide per comprendere le dinamiche del plasma sono prima di identificare i meccanismi universali e quindi confrontarli con un esperimento di laboratorio controllato. "Con il lavoro presentato, speriamo di contribuire a una più ampia comprensione dei processi fondamentali che si verificano nei sistemi di plasma estremi, che non sono direttamente accessibili per la ricerca sperimentale, " afferma il primo autore Tobias Kroker del gruppo di ricerca del Prof. Dr. Markus Drescher nel Dipartimento di Fisica.

Al Center for Optical Quantum Technologies dell'Universität Hamburg, i ricercatori raffreddano e intrappolano gli atomi con la luce laser. Usano l'intenso campo luminoso di un impulso laser ultracorto per scomporre gli atomi in elettroni e ioni entro 200 femtosecondi. Un femtosecondo è un milionesimo di un miliardesimo di secondo. A causa della temperatura iniziale estremamente bassa degli atomi, gli ioni hanno temperature inferiori a 40 millikelvin, che è solo una frazione sopra la temperatura più bassa possibile nell'universo (0 Kelvin o meno 273 gradi sulla scala Celsius). In contrasto, gli elettroni sono inizialmente molto caldi con temperature di 5250 Kelvin, vicino a quelli che si trovano sulla superficie del sole.

Gli elettroni caldi creati direttamente dall'impulso laser ultracorto iniziano a fuoriuscire e lasciano dietro di sé una regione carica positivamente che intrappola alcuni degli elettroni in un plasma ultrafreddo. "Un tale stato plasmatico non è mai stato osservato prima, " Dice Kroker. I ricercatori dei gruppi del Prof. Dr. Markus Drescher e del Prof. Dr. Klaus Sengstock hanno osservato che gli elettroni intrappolati nel plasma vengono raffreddati su scale temporali ultraveloci e hanno misurato la temperatura elettronica finale. Inoltre, hanno osservato che il plasma è stabile per poche centinaia di nanosecondi, che è un tempo molto lungo per tali sistemi.

Tali plasmi ultrafreddi forniscono punti di riferimento per i modelli teorici e possono far luce su condizioni estreme presenti nella fusione a confinamento inerziale o oggetti astronomici come le nane bianche. Per di più, gli elettroni ultrafreddi risultanti sono interessanti da soli come fonte luminosa per l'imaging di campioni biologici.