Rice University fysiker har upptäckt ett sätt att fånga världens kallaste plasma i en magnetisk flaska, en teknisk landvinning som skulle kunna främja forskning om ren energi, rymdväder och astrofysik.

"För att förstå hur solvinden interagerar med jorden, eller för att generera ren energi från kärnfusion, man måste förstå hur plasma – en soppa av elektroner och joner – beter sig i ett magnetfält, " sa Rice dekan för naturvetenskap Tom Killian, motsvarande författare till en publicerad studie om arbetet i Fysiska granskningsbrev .

Använder laserkylt strontium, Killian och doktorander Grant Gorman och MacKenzie Warrens gjorde ett plasma cirka 1 grad över absolut noll, eller ungefär -272 grader Celsius, och fångade den kort med krafter från omgivande magneter. Det är första gången en ultrakall plasma är magnetiskt instängd, och Killian, som har studerat ultrakalla plasma i mer än två decennier, sa att det öppnar dörren för att studera plasma i många miljöer.

"Detta ger en ren och kontrollerbar testbädd för att studera neutrala plasma på mycket mer komplexa platser, som solens atmosfär eller vita dvärgstjärnor, sa Killian, professor i fysik och astronomi. "Det är verkligen bra att ha plasman så kall och att ha dessa mycket rena laboratoriesystem. Börja med en enkel, små, välkontrollerad, välförstått system låter dig ta bort en del av röran och verkligen isolera det fenomen du vill se. "

Det är viktigt för studiens medförfattare Stephen Bradshaw, en Rice-astrofysiker som är specialiserad på att studera plasmafenomen på solen.

"I hela solens atomosfär, det (starka) magnetfältet har effekten av att förändra allt i förhållande till vad du skulle förvänta dig utan ett magnetfält, men på mycket subtila och komplicerade sätt som verkligen kan göra dig upprörd om du inte har en riktigt bra förståelse för det, sa Bradshaw, en docent i fysik och astronomi.

Solfysiker får sällan en tydlig observation av specifika egenskaper i solens atmosfär eftersom en del av atmosfären ligger mellan kameran och dessa funktioner, och orelaterade fenomen i den mellanliggande atmosfären skymmer vad de skulle vilja observera.

"Tyvärr, på grund av detta synfältproblem, observationsmätningar av plasmaegenskaper är förknippade med ganska stor osäkerhet, " sa Bradshaw. "Men när vi förbättrar vår förståelse av fenomenet, och avgörande, använda laboratorieresultat för att testa och kalibrera våra numeriska modeller, då kan vi förhoppningsvis minska osäkerheten i dessa mätningar."

Plasma är ett av fyra grundläggande tillstånd av materia, men till skillnad från fasta ämnen, vätskor och gaser, plasma är vanligtvis inte en del av vardagen eftersom de tenderar att förekomma på mycket varma platser som solen, en blixt eller en ljus låga. Som de där varma plasman, Killians plasma är soppor av elektroner och joner, men de blir kalla genom laserkylning, en teknik som utvecklades för ett kvartssekel sedan för att fånga och bromsa materia med ljus.

Killian sa att den fyrpoliga magnetiska installationen som användes för att fånga upp plasma är en standarddel av den ultrakylda installationen som hans laboratorium och andra använder för att göra ultrakylda plasma. Men att ta reda på hur man fångar plasma med magneterna var ett taggigt problem eftersom magnetfältet spelar förödelse med det optiska system som fysiker använder för att titta på ultrakalla plasma.

"Vår diagnostik är laserinducerad fluorescens, där vi lyser en laserstråle på jonerna i vår plasma, och om strålens frekvens är precis rätt, jonerna kommer att sprida fotoner mycket effektivt, " sa han. "Du kan ta en bild på dem och se var jonerna är, och du kan till och med mäta deras hastighet genom att titta på Doppler -skiftet, precis som att använda en radarpistol för att se hur snabbt en bil rör sig. Men magnetfälten skiftar faktiskt runt resonansfrekvenserna, och vi måste reda ut skiftningarna i spektrumet som kommer från magnetfältet från de Dopplerskiften vi är intresserade av att observera."

Det komplicerar experimenten avsevärt, och för att göra saken ännu mer komplicerad, magnetfälten förändras dramatiskt i plasman.

"Så vi måste hantera inte bara ett magnetfält, men ett magnetfält som varierar i rymden, på ett ganska komplicerat sätt, för att förstå data och ta reda på vad som händer i plasman, ", sa Killian. "Vi tillbringade ett år med att bara försöka lista ut vad vi såg när vi fick uppgifterna."

Plasmabeteendet i experimenten blir också mer komplext av magnetfältet. Det är just därför som fångsttekniken kan vara så användbar.

"Det är mycket komplexitet när vår plasma expanderar över dessa fältlinjer och börjar känna krafterna och fastna, " sa Killian. "Detta är ett väldigt vanligt fenomen, men det är väldigt komplicerat och något vi verkligen behöver förstå."

Ett exempel från naturen är solvinden, strömmar av högenergiplasma från solen som orsakar norrsken, eller norrsken. När plasma från solvinden träffar jorden, det interagerar med vår planets magnetfält, och detaljerna i dessa interaktioner är fortfarande oklara. Ett annat exempel är fusionsenergiforskning, där fysiker och ingenjörer hoppas kunna återskapa förhållandena inuti solen för att skapa ett stort utbud av ren energi.

Killian sa att den fyrpoliga magnetiska inställningen att han, Gorman och Warrens brukade buteljera sina ultrakalla plasma liknar design som forskare inom fusionsenergi utvecklade på 1960-talet. Plasma för fusion måste vara cirka 150 miljoner grader Celsius, och magnetiskt innehålla det är en utmaning, Bradshaw sa, delvis på grund av obesvarade frågor om hur plasma och magnetfält interagerar och påverkar varandra.

"Ett av de stora problemen är att hålla magnetfältet stabilt tillräckligt länge för att faktiskt innehålla reaktionen, "Sa Bradshaw." Så snart det uppstår en liten störning i magnetfältet, det växer och 'pfft, ' kärnreaktionen är förstörd.

"För att det ska fungera bra, du måste verkligen behålla saker, riktigt stabil, sade han. Och där igen, tittar på saker på ett riktigt fint, orörd laboratorieplasma kan hjälpa oss att bättre förstå hur partiklar interagerar med fältet."