Forskare från Cluster of Excellence "CUI:Advanced Imaging of Matter" har uppnått ett genombrott-skapat en helt ny typ av plasma genom att kombinera toppmodern teknik med ultrakorte laserpulser och ultrakylda atomgaser. De rapporterar om en ny elektronkylningsmekanism som förekommer i sådana plasma i tidskriften Naturkommunikation .

Materia finns i fyra stater - fast, gas, flytande, och plasma - med plasma som det mest förekommande tillståndet i det synliga universum. Den består av fria laddade partiklar som joner och elektroner. Plasma kan existera över ett enormt intervall av temperaturer och densiteter, från solens kärna till blixtnedslag eller lågor. Utmaningarna att förstå plasmadynamiken är först att identifiera universella mekanismer och sedan jämföra dem med ett kontrollerat laboratorieexperiment. "Med det presenterade arbetet, vi hoppas kunna bidra till en bredare förståelse av grundläggande processer som sker i extrema plasmasystem, som inte är direkt tillgängliga för experimentell forskning, "första författaren Tobias Kroker från forskargruppen för professor Dr. Markus Drescher vid Institutionen för fysik.

På Center for Optical Quantum Technologies vid Universität Hamburg, forskarna svalnar och fångar atomer med laserljus. De använder det intensiva ljusfältet i en ultrakort laserpuls för att bryta upp atomer till elektroner och joner inom 200 femtosekunder. En femtosekund är en miljonedel av en miljarddel av en sekund. På grund av atomernas extremt låga initialtemperatur, jonerna har temperaturer lägre än 40 millikelvin, som bara är en bråkdel över den lägsta möjliga temperaturen i universum (0 Kelvin eller minus 273 grader på Celsius -skalan). I kontrast, elektronerna är initialt mycket heta med temperaturer på 5250 Kelvin, nära dem som finns på solens yta.

Heta elektroner som direkt skapas av ultrakortlaserpulsen börjar fly och lämnar efter sig en positivt laddad region som fångar in några av elektronerna i en ultrakyld plasma. "Ett sådant plasmatillstånd har aldrig observerats tidigare, "Säger Kroker. Forskarna från grupperna av Prof. Dr. Markus Drescher och Prof. Dr. Klaus Sengstock observerade att de instängda elektronerna i plasman kyls på ultrasnabba tidsskalor och mäter den slutliga elektroniska temperaturen. Dessutom har de observerade att plasman är stabil över några hundra nanosekunder, vilket är mycket lång tid för sådana system.

Sådana ultrakylda plasma ger riktmärken för teoretiska modeller och kan belysa extrema förhållanden närvarande i tröghetsfusion eller astronomiska föremål som vita dvärgar. Vidare, de resulterande ultrakylda elektronerna är intressanta i sig som en ljus källa för avbildning av biologiska prover.