De tre klassiska fysiska tillstånden – fasta, flytande och gasformiga - kan observeras i alla vanliga kök, till exempel när du kokar upp en isbit. Men om du värmer materialet ytterligare, så att atomerna i ett ämne kolliderar och elektronerna separeras från dem, då nås ett annat tillstånd:plasma. Mer än 99 procent av materialet i rymden finns i denna form, inuti stjärnor till exempel. Det är därför inte konstigt att fysiker är angelägna om att studera sådant material. Tyvärr, att skapa och studera plasma på jorden med hjälp av den höga temperatur och tryck som finns inuti stjärnor är extremt utmanande av olika anledningar. Fysiker vid Friedrich Schiller University i Jena har nu lyckats lösa några av dessa problem, och de har rapporterat om sina resultat i den välrenommerade forskningstidskriften Fysisk granskning X .

Nanotrådar släpper igenom ljus

"Att värma material på ett sådant sätt att plasma bildas, vi behöver motsvarande hög energi. Vi använder vanligtvis ljus i form av en stor laser för att göra detta, " förklarar Christian Spielmann från University of Jena. "Men, detta ljus måste vara mycket kortpulsat, så att materialet inte omedelbart expanderar när det har nått lämplig temperatur, men håller ihop som tät plasma under en kort period." Det finns ett problem med denna experimentella uppställning, dock:"När laserstrålen träffar provet, plasma skapas. Dock, det börjar nästan omedelbart agera som en spegel och reflekterar en stor del av den inkommande energin, som därför inte lyckas tränga igenom saken fullt ut. Ju längre våglängd laserpulsen är, desto mer kritiskt är problemet, " säger Zhanna Samsonova, som spelade en ledande roll i projektet.

För att undvika denna spegeleffekt, forskarna i Jena använde prover gjorda av silikontrådar. Diametern på sådana ledningar – några hundra nanometer – är mindre än våglängden på cirka fyra mikrometer av det inkommande ljuset. "Vi var de första att använda en laser med så lång våglängd för att skapa plasma, " säger Spielmann. "Ljuset tränger in mellan trådarna i provet och värmer dem från alla sidor, så att under några pikosekunder, en betydligt större volym plasma skapas än om lasern reflekteras. Cirka 70 procent av energin lyckas penetrera provet." tack vare de korta laserpulserna, det uppvärmda materialet existerar något längre innan det expanderar. Till sist, med hjälp av röntgenspektroskopi, forskare kan hämta värdefull information om materialets tillstånd.

Maxvärden för temperatur och densitet

"Med vår metod, det är möjligt att uppnå nya maxvärden för temperatur och densitet i ett laboratorium, " säger Spielmann. Med en temperatur på runt 10 miljoner Kelvin, plasman är mycket varmare än material på solens yta, till exempel. Spielmann nämner också samarbetspartnerna i projektet. För laserexperimenten, Jena-forskarna använde en anläggning vid Wiens tekniska universitet; proverna kommer från National Metrology Institute of Germany i Braunschweig; och datorsimuleringar för att bekräfta fynden kommer från kollegor i Darmstadt och Düsseldorf.

Jena-teamets resultat är en banbrytande framgång, erbjuder ett helt nytt synsätt på plasmaforskning. Teorier om plasmatillstånd kan verifieras genom experiment och efterföljande datorsimuleringar. Detta kommer att göra det möjligt för forskare att bättre förstå kosmologiska processer. Dessutom, forskarna utför ett värdefullt förberedande arbete för installation av storskaliga apparater. Till exempel, den internationella partikelacceleratorn, Anläggning för antiproton- och jonforskning (FAIR), är för närvarande under uppbyggnad i Darmstadt och bör vara i drift omkring 2025. Tack vare den nya informationen, det kommer att vara möjligt att välja ut specifika områden som förtjänar en närmare granskning.