Физики создали долгоживущую ультрахолодную плазму | Новости науки

Российские ученые создали долгоживущую ультрахолодную плазму, обрабатывая лазером охлажденные до -273 °С атомы кальция. Полученный таким образом новый физический объект пригодится при разработке ионных микроскопов с высоким разрешением. В  них плазма служит источником заряженных частиц, необходимых для формирования изображения.

Также при помощи стационарной ультрахолодной плазмы можно будет создать квантовый симулятор для моделирования горячей плазмы в термоядерных реакторах и астрофизических объектах, поясняют исследователи.

Ультрахолодная плазма — это ионизированный газ, который имеет очень низкую температуру — всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Ее можно использовать в качестве универсальной и экспериментально доступной модельной системы для изучения плазмы различной природы, в том числе плазмы термоядерных реакторов и горячей плазмы в астрофизических процессах. Кроме того, ультрахолодная плазма может служить источником ионов в ионных микроскопах, в которых для формирования изображения необходимо, чтобы через исследуемый объект прошел пучок заряженных частиц.

Однако такая плазма имеет ограниченное время жизни — около тысячных долей секунды. После чего заряженные частицы газа разлетаются, и плазма исчезает. Поэтому ученые ищут новые способы создания плазмы для придания ей стабильности.

Исследователи из Объединенного института высоких температур РАН создала стабильную ультрахолодную плазму, которая может существовать бесконечно. Авторы поместили группу атомов кальция в магнитооптическую ловушку — устройство для охлаждения и удержания частиц при помощи эффекта лазерного охлаждения. Получилось облако атомов, на которое непрерывно подавали лазерное излучение. Под действием лазера от атомов кальция отрывали внешние электроны, в результате образовались ионы и электроны — заряженные частицы, которые сформировали плазму.

Физики установили, что в плазме все время эксперимента сохранялась стабильно низкая температура — порядка -271 °С, — а также постоянная концентрация ионов. Благодаря такой низкой температуре заряженные частицы оставались практически неподвижны и сильно взаимодействовали между собой. Эти свойства стационарной ультрахолодной плазмы позволяют проводить эксперименты с высокой точностью, а также моделировать горячую плазму.

«Созданная нами ультрахолодная плазма впервые имеет бесконечный срок жизни за счет непрерывного захвата охлажденных атомов и их ионизации лазером. Ранее ученые использовали ионизацию холодных атомов коротким лазерным импульсом — из-за этого плазма существовала непродолжительное время. У нас же создается непрерывный поток новых холодных ионов и электронов, что позволяет наблюдать стационарную ультрахолодную плазму», — рассказал руководитель проекта Борис Зеленер, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Лазерного охлаждения и ультрахолодной плазмы Объединенного института высоких температур РАН.

Теперь ученые планируют исследовать, как различная сила магнитного поля и интенсивность лазерного излучения будут влиять на свойства плазмы, в частности, ее температуру, плотность и возможную пространственную структуру.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Review Letters.