Blog

Sử dụng stronti được làm mát bằng laser, Killian và các sinh viên cao học Grant Gorman và MacKenzie Warrens đã tạo ra một plasma cao hơn 0 độ tuyệt đối khoảng 1 độ, hoặc khoảng -272 độ C, và giữ nó trong thời gian ngắn bằng lực từ các nam châm xung quanh. Đây là lần đầu tiên một plasma siêu lạnh bị giới hạn từ tính, và Killian, người đã nghiên cứu các plasmas siêu lạnh trong hơn hai thập kỷ, cho biết nó mở ra cánh cửa cho việc nghiên cứu các plasmas trong nhiều môi trường.

Giáo sư vật lý và thiên văn học Killian cho biết: “Điều này cung cấp một thiết bị kiểm tra sạch và có thể kiểm soát được để nghiên cứu các plasmas trung tính ở những vị trí phức tạp hơn, như bầu khí quyển của mặt trời hoặc các ngôi sao lùn trắng”. “Thật sự hữu ích khi có plasma quá lạnh và có những hệ thống phòng thí nghiệm rất sạch sẽ. Bắt đầu với một hệ thống đơn giản, nhỏ, được kiểm soát tốt, được hiểu rõ cho phép bạn loại bỏ một số sự lộn xộn và thực sự cô lập hiện tượng. muốn thấy.”

Điều này rất quan trọng đối với đồng tác giả nghiên cứu Stephen Bradshaw, một nhà vật lý thiên văn Rice, người chuyên nghiên cứu các hiện tượng plasma trên mặt trời.

“Trong toàn bộ tầng nguyên tử của mặt trời, từ trường (mạnh) có tác dụng làm thay đổi mọi thứ liên quan đến những gì bạn mong đợi nếu không có từ trường, nhưng theo những cách rất tinh vi và phức tạp có thể thực sự khiến bạn đi lên nếu bạn không thực sự có Bradshaw, phó giáo sư vật lý và thiên văn học, cho biết.

Các nhà vật lý năng lượng mặt trời hiếm khi quan sát rõ ràng các đặc điểm cụ thể trong bầu khí quyển của mặt trời vì một phần khí quyển nằm giữa máy ảnh và các đặc điểm đó, và các hiện tượng không liên quan trong bầu khí quyển che khuất những gì họ muốn quan sát.

Bradshaw cho biết: “Thật không may, do vấn đề về đường ngắm này, các phép đo quan sát về các đặc tính của plasma có khá nhiều sự không chắc chắn. “Nhưng khi chúng tôi nâng cao hiểu biết về các hiện tượng và quan trọng là sử dụng kết quả phòng thí nghiệm để kiểm tra và hiệu chỉnh các mô hình số của chúng tôi, thì hy vọng chúng tôi có thể giảm độ không đảm bảo đo trong các phép đo này.”

Plasma là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất, nhưng không giống như chất rắn, chất lỏng và chất khí, plasma nói chung không phải là một phần của cuộc sống hàng ngày vì chúng có xu hướng xuất hiện ở những nơi rất nóng như mặt trời, tia chớp hoặc ngọn lửa nến. Giống như các plasmas nóng đó, các plasmas của Killian là súp chứa các electron và ion, nhưng chúng được làm lạnh bằng cách làm lạnh bằng laser, một kỹ thuật được phát triển cách đây 1/4 thế kỷ để bẫy và làm chậm vật chất bằng ánh sáng.

Killian cho biết thiết lập từ trường tứ cực được sử dụng để bẫy plasma là một phần tiêu chuẩn của thiết lập siêu lạnh mà phòng thí nghiệm của ông và những người khác sử dụng để tạo ra plasmas siêu lạnh. Nhưng việc tìm ra cách bẫy plasma bằng nam châm là một vấn đề hóc búa vì từ trường tác động xấu đến hệ thống quang học mà các nhà vật lý sử dụng để xem xét các plasmas siêu lạnh.

Ông nói: “Chẩn đoán của chúng tôi là huỳnh quang cảm ứng bằng laser, nơi chúng tôi chiếu một chùm tia laser lên các ion trong plasma và nếu tần số của chùm sáng vừa phải, các ion sẽ phân tán các photon rất hiệu quả. “Bạn có thể chụp ảnh chúng và xem vị trí của các ion và thậm chí bạn có thể đo vận tốc của chúng bằng cách nhìn vào sự dịch chuyển của Doppler, giống như sử dụng súng radar để xem tốc độ của một chiếc xe hơi. Nhưng từ trường thực sự dịch chuyển xung quanh các tần số cộng hưởng, và chúng tôi phải gỡ rối những thay đổi trong quang phổ đến từ trường từ những dịch chuyển Doppler mà chúng tôi muốn quan sát. ”

Điều đó làm phức tạp đáng kể các thí nghiệm, và để làm cho vấn đề phức tạp hơn, từ trường thay đổi đáng kể trong suốt plasma.

Killian nói: “Vì vậy, chúng ta phải đối phó với không chỉ từ trường, mà còn là từ trường thay đổi trong không gian, theo một cách khá phức tạp, để hiểu dữ liệu và tìm ra những gì đang xảy ra trong plasma. “Chúng tôi đã dành một năm chỉ để cố gắng tìm ra những gì chúng tôi sẽ thấy sau khi nhận được dữ liệu.”

Hoạt động của plasma trong các thí nghiệm cũng phức tạp hơn bởi từ trường. Đó chính là lý do tại sao kỹ thuật bẫy có thể hữu ích đến vậy.

Killian nói: “Có rất nhiều sự phức tạp khi plasma của chúng ta mở rộng trên các đường trường này và bắt đầu cảm nhận được các lực và bị mắc kẹt. “Đây là một hiện tượng thực sự phổ biến, nhưng nó rất phức tạp và là điều chúng ta thực sự cần hiểu.”

Một ví dụ từ tự nhiên là gió mặt trời, các luồng plasma năng lượng cao từ mặt trời gây ra cực quang hay ánh sáng phương Bắc. Khi plasma từ gió Mặt trời tấn công Trái đất, nó tương tác với từ trường của hành tinh chúng ta, và chi tiết về những tương tác đó vẫn chưa rõ ràng. Một ví dụ khác là nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch, nơi các nhà vật lý và kỹ sư hy vọng có thể tái tạo các điều kiện bên trong mặt trời để tạo ra một nguồn cung cấp năng lượng sạch khổng lồ .

Killian cho biết thiết lập từ trường tứ cực mà ông, Gorman và Warrens đã sử dụng để đóng chai các plasmas siêu lạnh của họ tương tự như thiết kế mà các nhà nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch đã phát triển vào những năm 1960. Bradshaw cho biết plasma để nhiệt hạch cần ở nhiệt độ khoảng 150 triệu độ C, và chứa từ tính là một thách thức, Bradshaw nói, một phần là do những câu hỏi chưa được giải đáp về cách plasma và từ trường tương tác và ảnh hưởng lẫn nhau.

Bradshaw nói: “Một trong những vấn đề chính là giữ cho từ trường ổn định đủ lâu để thực sự ngăn chặn phản ứng. “Ngay sau khi có một loại nhiễu loạn nhỏ trong từ trường, nó sẽ phát triển và ‘pfft’, phản ứng hạt nhân bị hủy hoại.

“Để nó hoạt động tốt, bạn phải giữ cho mọi thứ thực sự, thực sự ổn định,” ông nói. “Và một lần nữa, nhìn mọi thứ trong một phòng thí nghiệm plasma thực sự đẹp, nguyên sơ có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách các hạt tương tác với trường.”

bởi Jade Boyd, Đại học Rice

Theo Phys.org