Rice University fysiker har skapat världens första laserkylda neutrala plasma, slutföra ett 20-årigt uppdrag som sätter scenen för simulatorer som återskapar exotiska tillstånd av materia som finns inuti Jupiter och vita dvärgstjärnor.

Resultaten beskrivs i detalj den här veckan i tidskriften Vetenskap och involverar nya tekniker för att laserkyla moln av snabbt expanderande plasma till temperaturer som är cirka 50 gånger kallare än rymden.

"Vi vet inte den praktiska vinsten ännu, men varje gång fysiker har laserkylt en ny typ av sak, det har öppnat en hel värld av möjligheter, " sa huvudforskaren Tom Killian, professor i fysik och astronomi vid Rice. "Ingen förutspådde att laserkylning av atomer och joner skulle leda till världens mest exakta klockor eller genombrott inom kvantberäkning. Vi gör det här för att det är en gräns."

Killian och doktoranderna Tom Langin och Grant Gorman använde 10 lasrar med olika våglängder för att skapa och kyla den neutrala plasman. De började med att förånga strontiummetall och använda en uppsättning skärande laserstrålar för att fånga och kyla en puff av strontiumatomer ungefär lika stor som ett barns fingertopp. Nästa, de joniserade den ultrakalla gasen med en 10 nanosekunders explosion från en pulsad laser. Genom att ta bort en elektron från varje atom, pulsen omvandlade gasen till ett plasma av joner och elektroner.

Energi från den joniserande explosionen gör att den nybildade plasman expanderar snabbt och försvinner på mindre än en tusendels sekund. Veckans nyckelfynd är att de expanderande jonerna kan kylas med en annan uppsättning lasrar efter att plasman har skapats. Killian, Langin och Gorman beskriver sina tekniker i den nya tidningen, bana väg för deras labb och andra att göra ännu kallare plasma som beter sig konstigt, oförklarliga sätt.

Plasma är en elektriskt ledande blandning av elektroner och joner. Det är ett av materiens fyra grundläggande tillstånd; men till skillnad från fasta ämnen, vätskor och gaser, som är bekanta i det dagliga livet, plasma tenderar att förekomma på mycket varma platser som solens yta eller en blixt. Genom att studera ultrakalla plasma, Killians team hoppas kunna svara på grundläggande frågor om hur materia beter sig under extrema förhållanden med hög densitet och låg temperatur.

För att göra dess plasma, gruppen börjar med laserkylning, en metod för att fånga och bromsa partiklar med skärande laserstrålar. Ju mindre energi en atom eller jon har, ju kallare det är, och ju långsammare den rör sig slumpmässigt. Laserkylning utvecklades på 1990-talet för att bromsa atomer tills de nästan är orörliga, eller bara några miljondelar av en grad över den absoluta nollpunkten.

"Om en atom eller jon rör sig, och jag har en laserstråle som motsätter sig dess rörelse, när den sprider fotoner från strålen får den momentumkick som saktar ner den, Killian sa. "Knepet är att se till att ljus alltid sprids från en laser som motverkar partikelns rörelse. Om du gör det, partikeln saktar ner och saktar ner och saktar ner."

Under ett postdoktoralt stipendium vid National Institute of Standards and Technology i Bethesda, Md., 1999, Killian var pionjär med joniseringsmetoden för att skapa neutral plasma från en laserkyld gas. När han började på Rices fakultet året därpå, han startade ett sökande efter ett sätt att göra plasman ännu kallare. En motivation var att uppnå "stark koppling, "ett fenomen som sker naturligt i plasma bara på exotiska platser som vita dvärgstjärnor och Jupiters centrum.

"Vi kan inte studera starkt kopplade plasma på platser där de förekommer naturligt, Killian sa. "Laserkylning av neutrala plasmaer gör att vi kan göra starkt kopplade plasma i ett labb, så att vi kan studera deras egenskaper"

"I starkt kopplade plasma, det finns mer energi i den elektriska interaktionen mellan partiklar än i den kinetiska energin för deras slumpmässiga rörelse, " sa Killian. "Vi fokuserar mest på jonerna, som känner varandra, och ordna om sig själva som svar på sina grannars ståndpunkter. Det är vad stark koppling betyder."

Eftersom jonerna har positiva elektriska laddningar, de stöter bort varandra genom samma kraft som får ditt hår att resa sig rakt om det laddas med statisk elektricitet.

"Starkt kopplade joner kan inte vara nära varandra, så de försöker hitta jämvikt, ett arrangemang där avstötningen från alla deras grannar är balanserad, ", sa han. "Detta kan leda till konstiga fenomen som flytande eller till och med fasta plasma, som ligger långt utanför vår normala upplevelse."

I normala fall, svagt kopplade plasma, dessa frånstötande krafter har bara ett litet inflytande på jons rörelse eftersom de är långt uppvägda av effekterna av kinetisk energi, eller värme.

"Avstötande krafter är normalt som en viskning på en rockkonsert, " sa Killian. "De dränks av allt kinetiskt brus i systemet."

I mitten av Jupiter eller en vit dvärgstjärna, dock, intensiv gravitation klämmer ihop joner så nära att frånstötande krafter, som växer sig mycket starkare på kortare avstånd, vinna ut. Även om temperaturen är ganska hög, joner blir starkt kopplade.

Killians team skapar plasma som har en storleksordning lägre i densitet än de inuti planeter eller döda stjärnor, men genom att sänka temperaturen höjer de förhållandet mellan elektrisk och kinetisk energi. Vid temperaturer så låga som en tiondels Kelvin över absolut noll, Killians team har sett frånstötande krafter ta över.

"Laserkylning är väl utvecklad i gaser av neutrala atomer, till exempel, men utmaningarna är väldigt olika i plasma, " han sa.

"Vi är bara i början av att utforska konsekvenserna av stark koppling i ultrakalla plasma, " sa Killian. "Till exempel, det förändrar hur värme och joner diffunderar genom plasman. Vi kan studera dessa processer nu. Jag hoppas att detta kommer att förbättra våra modeller av exotiska, starkt kopplade astrofysiska plasma, men jag är säker på att vi också kommer att göra upptäckter som vi inte har drömt om ännu. Det är så vetenskap fungerar."

Forskningen stöddes av Air Force Office of Scientific Research och Department of Energys Office of Science.