Los físicos de la Universidad de Rice han creado el primer plasma neutro refrigerado por láser del mundo, completando una búsqueda de 20 años que prepara el escenario para simuladores que recrean estados exóticos de materia que se encuentran dentro de Júpiter y las estrellas enanas blancas.
Los hallazgos se detallan esta semana en la revista ciencia e implican nuevas técnicas para enfriar con láser nubes de plasma en rápida expansión a temperaturas aproximadamente 50 veces más frías que el espacio profundo.
"Todavía no conocemos la recompensa práctica, pero cada vez que los físicos han enfriado con láser un nuevo tipo de cosas, ha abierto todo un mundo de posibilidades", dijo el científico principal Tom Killian, profesor de física y astronomía en Rice."Nadie predijo que los átomos e iones de enfriamiento por láser conducirían a los relojes o avances más precisos del mundo en computación cuántica. Hacemos esto porque es una frontera".
Killian y los estudiantes de posgrado Tom Langin y Grant Gorman usaron 10 láseres de diferentes longitudes de onda para crear y enfriar el plasma neutro. Comenzaron vaporizando el metal de estroncio y usando un conjunto de rayos láser de intersección para atrapar y enfriar una nube de átomos de estroncio sobre eltamaño de la yema del dedo de un niño. Luego, ionizaron el gas ultrafrío con una explosión de 10 nanosegundos de un láser pulsado. Al extraer un electrón de cada átomo, el pulso convirtió el gas en un plasma de iones y electrones.
La energía de la explosión ionizante hace que el plasma recién formado se expanda rápidamente y se disipe en menos de una milésima de segundo. El hallazgo clave de esta semana es que los iones en expansión pueden enfriarse con otro conjunto de láseres después de que se crea el plasma. Killian, Langin y Gorman describen sus técnicas en el nuevo documento, allanando el camino para que su laboratorio y otros produzcan plasmas aún más fríos que se comportan de formas extrañas e inexplicables.
El plasma es una mezcla eléctricamente conductora de electrones e iones. Es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia; pero a diferencia de los sólidos, líquidos y gases, que son familiares en la vida diaria, los plasmas tienden a ocurrir en lugares muy calientes como la superficie deel sol o un rayo. Al estudiar plasmas ultrafríos, el equipo de Killian espera responder preguntas fundamentales sobre cómo se comporta la materia en condiciones extremas de alta densidad y baja temperatura.
Para hacer sus plasmas, el grupo comienza con enfriamiento por láser, un método para atrapar y ralentizar partículas con rayos láser que se cruzan. Cuanta menos energía tiene un átomo o ion, más frío es y más lento se mueve al azar.se desarrolló en la década de 1990 para reducir la velocidad de los átomos hasta que estén casi inmóviles, o solo unas pocas millonésimas de grado por encima del cero absoluto.
"Si un átomo o ion se está moviendo, y tengo un rayo láser oponiéndose a su movimiento, ya que dispersa los fotones del rayo, recibe impulsos de impulso que lo ralentizan", dijo Killian. "El truco es asegurarse de que la luz seasiempre se dispersa desde un láser que se opone al movimiento de la partícula. Si haces eso, la partícula se ralentiza y se ralentiza ".
Durante una beca posdoctoral en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Bethesda, Maryland, en 1999, Killian fue pionera en el método de ionización para crear plasma neutro a partir de un gas refrigerado por láser. Cuando se unió a la facultad de Rice al año siguiente, comenzóuna búsqueda de una forma de hacer que los plasmas sean aún más fríos. Una motivación era lograr un "acoplamiento fuerte", un fenómeno que ocurre naturalmente en los plasmas solo en lugares exóticos como las estrellas enanas blancas y el centro de Júpiter.
"No podemos estudiar plasmas fuertemente acoplados en lugares donde ocurren naturalmente", dijo Killian. "Los plasmas neutros de enfriamiento por láser nos permiten hacer plasmas fuertemente acoplados en un laboratorio, para que podamos estudiar sus propiedades"
"En plasmas fuertemente acoplados, hay más energía en las interacciones eléctricas entre partículas que en la energía cinética de su movimiento aleatorio", dijo Killian. "Nos centramos principalmente en los iones, que se sienten entre sí, y se reorganizan en respuestaa las posiciones de sus vecinos. Eso es lo que significa un fuerte acoplamiento "
Debido a que los iones tienen cargas eléctricas positivas, se repelen entre sí a través de la misma fuerza que hace que tu cabello se erija si se carga con electricidad estática.
"Los iones fuertemente acoplados no pueden estar cerca el uno del otro, por lo que intentan encontrar el equilibrio, un arreglo donde la repulsión de todos sus vecinos es equilibrada", dijo. "Esto puede conducir a fenómenos extraños como líquidos o incluso sólidosplasmas, que están muy lejos de nuestra experiencia normal "
En plasmas normales, débilmente acoplados, estas fuerzas repulsivas solo tienen una pequeña influencia en el movimiento de los iones porque son muy superiores a los efectos de la energía cinética o el calor.
"Las fuerzas repulsivas son normalmente como un susurro en un concierto de rock", dijo Killian. "Están ahogadas por todo el ruido cinético en el sistema".
Sin embargo, en el centro de Júpiter o una estrella enana blanca, la gravedad intensa aprieta los iones tan cerca que las fuerzas repulsivas, que se hacen mucho más fuertes a distancias más cortas, ganan. Aunque la temperatura es bastante alta, los iones se acoplan fuertemente.
El equipo de Killian crea plasmas que tienen órdenes de magnitud menores en densidad que aquellos dentro de planetas o estrellas muertas, pero al bajar la temperatura aumentan la proporción de energía eléctrica a cinética. A temperaturas tan bajas como una décima parte de un KelvinPor encima del cero absoluto, el equipo de Killian ha visto tomar el control de fuerzas repulsivas.
"El enfriamiento por láser está bien desarrollado en gases de átomos neutros, por ejemplo, pero los desafíos son muy diferentes en los plasmas", dijo.
"Estamos recién comenzando a explorar las implicaciones del acoplamiento fuerte en plasmas ultrafríos", dijo Killian. "Por ejemplo, cambia la forma en que el calor y los iones se difunden a través del plasma. Ahora podemos estudiar esos procesos. Esperoesto mejorará nuestros modelos de plasmas astrofísicos exóticos y fuertemente acoplados, pero estoy seguro de que también haremos descubrimientos que aún no hemos soñado. Así es como funciona la ciencia ".
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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