I fisici della Rice University hanno scoperto un modo per intrappolare il plasma più freddo del mondo in una bottiglia magnetica, una conquista tecnologica che potrebbe far progredire la ricerca sull'energia pulita, meteorologia spaziale e astrofisica.

"Per capire come il vento solare interagisce con la Terra, o per generare energia pulita dalla fusione nucleare, bisogna capire come si comporta il plasma, una zuppa di elettroni e ioni, in un campo magnetico, ", ha affermato il preside di scienze naturali Tom Killian, l'autore corrispondente di uno studio pubblicato sul lavoro in Lettere di revisione fisica .

Utilizzando stronzio raffreddato al laser, Killian e gli studenti universitari Grant Gorman e MacKenzie Warrens hanno prodotto un plasma di circa 1 grado sopra lo zero assoluto, o circa -272 gradi Celsius, e lo intrappolarono brevemente con le forze dei magneti circostanti. È la prima volta che un plasma ultrafreddo viene confinato magneticamente, e Killian, che ha studiato i plasmi ultrafreddi per più di due decenni, ha detto che apre le porte allo studio dei plasmi in molti contesti.

"Questo fornisce un banco di prova pulito e controllabile per studiare plasmi neutri in luoghi molto più complessi, come l'atmosfera del sole o le stelle nane bianche, "disse Killian, professore di fisica e astronomia. "È davvero utile avere il plasma così freddo e avere questi sistemi di laboratorio molto puliti. Iniziando con un semplice, piccolo, ben controllato, un sistema ben compreso ti consente di eliminare parte del disordine e isolare davvero il fenomeno che vuoi vedere."

Questo è importante per il coautore dello studio Stephen Bradshaw, un astrofisico del riso specializzato nello studio dei fenomeni del plasma sul sole.

"In tutta l'atmosfera del sole, il (forte) campo magnetico ha l'effetto di alterare tutto rispetto a quello che ti aspetteresti senza un campo magnetico, ma in modi molto sottili e complicati che possono davvero farti inciampare se non ne hai una buona comprensione, "disse Bradshaw, professore associato di fisica e astronomia.

I fisici solari raramente ottengono una chiara osservazione di caratteristiche specifiche nell'atmosfera del sole perché parte dell'atmosfera si trova tra la fotocamera e quelle caratteristiche, e fenomeni non correlati nell'atmosfera che intervengono oscurano ciò che vorrebbero osservare.

"Sfortunatamente, a causa di questo problema di visuale, le misurazioni osservative delle proprietà del plasma sono associate a molte incertezze, " ha detto Bradshaw. "Ma man mano che miglioriamo la nostra comprensione dei fenomeni, e, soprattutto, utilizzare i risultati di laboratorio per testare e calibrare i nostri modelli numerici, quindi speriamo di poter ridurre l'incertezza in queste misurazioni".

Il plasma è uno dei quattro stati fondamentali della materia, ma a differenza dei solidi, liquidi e gas, i plasmi generalmente non fanno parte della vita quotidiana perché tendono a verificarsi in luoghi molto caldi come il sole, un fulmine o la fiamma di una candela. Come quei plasmi caldi, I plasmi di Killian sono minestre di elettroni e ioni, ma sono resi freddi dal raffreddamento laser, una tecnica sviluppata un quarto di secolo fa per intrappolare e rallentare la materia con la luce.

Killian ha affermato che la configurazione magnetica a quadrupolo utilizzata per intrappolare il plasma è una parte standard della configurazione ultrafredda che il suo laboratorio e altri usano per produrre plasmi ultrafreddi. Ma scoprire come intrappolare il plasma con i magneti è stato un problema spinoso perché il campo magnetico distrugge il sistema ottico che i fisici usano per guardare i plasmi ultrafreddi.

"La nostra diagnostica è la fluorescenza indotta dal laser, dove facciamo brillare un raggio laser sugli ioni nel nostro plasma, e se la frequenza del raggio è giusta, gli ioni disperderanno i fotoni in modo molto efficace, " ha detto. "Puoi scattare una foto di loro e vedere dove sono gli ioni, e puoi persino misurare la loro velocità osservando lo spostamento Doppler, proprio come usare una pistola radar per vedere quanto velocemente si muove un'auto. Ma i campi magnetici in realtà si spostano attorno alle frequenze di risonanza, e dobbiamo districare gli spostamenti nello spettro che provengono dal campo magnetico dagli spostamenti Doppler che ci interessa osservare".

Ciò complica notevolmente gli esperimenti, e per rendere le cose ancora più complicate, i campi magnetici cambiano drasticamente in tutto il plasma.

"Quindi abbiamo a che fare non solo con un campo magnetico, ma un campo magnetico che varia nello spazio, in modo ragionevolmente complicato, per capire i dati e capire cosa sta succedendo nel plasma, " ha detto Killian. "Abbiamo passato un anno solo cercando di capire cosa stavamo vedendo una volta ottenuti i dati".

Il comportamento del plasma negli esperimenti è inoltre reso più complesso dal campo magnetico. Ed è proprio per questo che la tecnica di intrappolamento potrebbe essere così utile.

"C'è molta complessità quando il nostro plasma si espande attraverso queste linee di campo e inizia a sentire le forze e rimane intrappolato, " ha detto Killian. "Questo è un fenomeno molto comune, ma è molto complicato e qualcosa che dobbiamo davvero capire".

Un esempio dalla natura è il vento solare, flussi di plasma ad alta energia dal sole che causano l'aurora boreale, o aurora boreale. Quando il plasma del vento solare colpisce la Terra, interagisce con il campo magnetico del nostro pianeta, e i dettagli di tali interazioni non sono ancora chiari. Un altro esempio è la ricerca sull'energia da fusione, dove fisici e ingegneri sperano di ricreare le condizioni all'interno del sole per creare una vasta fornitura di energia pulita.

Killian ha detto che la configurazione magnetica del quadrupolo che lui, Gorman e Warrens usavano per imbottigliare i loro plasmi ultrafreddi è simile ai progetti sviluppati dai ricercatori sull'energia di fusione negli anni '60. Il plasma per la fusione deve essere di circa 150 milioni di gradi Celsius, e contenerlo magneticamente è una sfida, Bradshaw ha detto, in parte a causa di domande senza risposta su come il plasma e i campi magnetici interagiscono e si influenzano a vicenda.

"Uno dei problemi principali è mantenere il campo magnetico abbastanza stabile per un tempo sufficiente a contenere effettivamente la reazione, "Ha detto Bradshaw. "Non appena c'è una piccola sorta di perturbazione nel campo magnetico, cresce e 'pfft, ' la reazione nucleare è rovinata.

"Perché funzioni bene, devi mantenere le cose davvero, veramente stabile, " ha detto. "E di nuovo, guardando le cose in modo davvero carino, il plasma di laboratorio incontaminato potrebbe aiutarci a capire meglio come le particelle interagiscono con il campo".