Откуда берется холодная плазма?

Откуда берется холодная плазма?

Когда все становится очень горячим и электроны отделяются от ядер атомов, создается плазма - газ ионизированных атомов. В экстремальных условиях, подобных тем, что преобладают в центре планеты-гиганта Юпитер, эта плазма, по-видимому, приобретает совершенно особые свойства. Вскоре физики смогут точно смоделировать поведение высокого давления в лабораторных экспериментах. Потому что американской команде удалось привести материю в подобное состояние. Однако их плазма спонтанно образовалась почти при абсолютном нуле температурной шкалы, и никто точно не знает, откуда у нее взялась энергия для этого. Классическая плазма горячая. Только при температуре более 10 000 градусов по Цельсию внешние электроны преодолевают притяжение своего атомного ядра и отныне движутся по своим собственным путям. Они редко позволяют себе раздражаться соседям. Однако, если давление очень велико и в результате этого увеличивается плотность, взаимодействия происходят чаще. Частицы влияют друг на друга, и в конечном итоге взаимодействие доминирует над траекторией движения ионов и электронов. Ученые подозревают наличие такой «сильно связанной» плазмы, например, в центре планеты Юпитер. Чтобы понять ядро гиганта, исследователи должны изучить этот конкретный ионный газ, предпочтительно в экспериментах на Земле.

Поскольку ни одна машина в мире не может создать такое давление внутри Юпитера, физики выбрали другой подход: так называемые ридберговские атомы. Эти гиганты атома могут вырасти до размеров вирусов. Для этого внешний электрон возбуждается все более и более осторожно, пока он не окажется очень далеко от ядра и лишь слабо с ним связан. Таким образом, Томас Галлахер из Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле создал ридберговские атомы цезия диаметром около 160 нанометров.«Это огромные атомы», - говорит он.

Частицы преподнесли ему еще больший сюрприз, когда он и группа под руководством Пьера Пилле из Национального центра научных исследований в Орсе исследовали облака рубидия и цезия. Сначала исследователи охладили атомы с помощью лазеров и поймали их с помощью магнитооптической ловушки. Там они настолько ослабили тепловое движение атомов, что их температура составляла от 140 до 300 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Лишь около одного процента оставались «горячими» при комнатной температуре. Затем Пиллет и Галлахер использовали лазерные импульсы, чтобы перевести атомы в ридберговское состояние. К их изумлению, в течение нескольких миллисекунд спонтанно образовалась плазма - чуть выше нуля (Physical Review Letters от 20 ноября 2000 г., реферат).

Ридберговские атомы могут быть огромными, но даже их самый внешний электрон все еще связан с ядром. Так откуда же взялась последняя искра энергии, сделавшая возможным разделение? Поскольку в экспериментах, в которых все атомы действительно остыли, плазма не образовывалась, Галлахер подозревает, что столкновения между холодными и горячими ридберговскими атомами играют важную роль. Кроме того, некоторые из них уже ионизированы тепловыми фотонами в газовом облаке. Но даже оба эффекта вместе могут обеспечить не более десяти процентов энергии, необходимой для создания плазмы. Львиная доля должна поступать из другого источника.

Ученые теперь хотят искать этот таинственный источник энергии. Вероятно, это будет непросто, потому что мало что известно об ультрахолодной плазме. «Это эксперименты на стыке физики отдельных тел, где каждый атом следует рассматривать как индивидуальность, и физики многих тел с коллективными эффектами», - говорит Стив Ролстон из Национального института стандартов и технологий в Гейтерсберге.«Мы не знаем, чего ожидать, и на данный момент невероятно мало теорий, которые могут нам помочь».

Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft является оператором этого портала. Его электронные и печатные журналы, в том числе «Spektrum der Wissenschaft», «Gehirn&Geist» и «Spektrum - Die Woche», сообщают о текущих результатах исследований.