Расширение четвертого состояния материи
Совещание отдела атомной, молекулярной и оптической физики APS 2017 г. — Типичная фазовая диаграмма изображает три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. А как же плазма? Это самое распространенное состояние материи во Вселенной, но плазма не может существовать долго в нормальных земных условиях.
В космосе экзотическая плазма может встречаться внутри белых карликов, больших планет, таких как Юпитер, Солнце и другие крупные звезды. На Земле исследователи изучают полностью ионизированные формы плазмы, созданные в искусственных условиях при температурах чуть выше абсолютного нуля.Изучая их в лаборатории, они надеются узнать больше об астрофизической плазме глубоко в космосе.
Хотя механизм ее образования известен, первая такая ультрахолодная плазма наблюдалась в лаборатории менее двух десятилетий назад, что может сделать эту область многообещающей в физике. Ряд недавних результатов был представлен на конференции DAMOP 2017 года в Сакраменто, Калифорния.
Томас Лэнгин из Университета Райса был одним из докладчиков, прошедших новые пути в этой области. Будучи аспирантом, Лангин работал с Томасом Киллианом из Университета Райса, давним исследователем физики ультрахолодной плазмы. Работа Киллиана на протяжении многих лет охватывала первые наблюдения самой плазмы и нагрева, вызванного беспорядком, вплоть до наших дней с более подробными исследованиями динамики плазмы.
Изображение: Образовательный проект по современной физике/www.CPEPphysics.org
Нейтральная плазма в лаборатории и в природе.
Эксперимент, о котором сообщалось в DAMOP, был сосредоточен на изменении температуры ионов в сильно связанной плазме и на том, какие факторы влияют на механизмы нагрева в течение их срока службы. «Я очень рад представить свое выступление, которое больше не о прогрессе… а скорее о действительный лазерное охлаждение ультрахолодной нейтральной плазмы», — заявил он во время своей лекции.
Чтобы создать эту ультрахолодную нейтральную плазму, нейтральный холодный газ фотоионизируется, чтобы освободить атомные электроны. Благодаря процессу, известному как нагрев, вызванный беспорядком, вновь созданные ионы быстро нагреваются в течение наносекунд, и система быстро расширяется, давая плазме время жизни порядка микросекунд.
«[Эти] электроны расширяются и увлекают за собой ионы, и в течение 20–30 микросекунд [плазма] удваивается и утраивается в размере», — объяснил Лангин.«Даже при этих относительно высоких температурах вы все еще находитесь в этом интересном режиме, когда кулоновские взаимодействия [молекул] настолько сильны. Благодаря этому [эксперименту] у нас есть платформа для изучения систем, подобных ядру Юпитера, белых карликов. , и ряд других систем в режиме сильно связанной плазмы».
Измерение параметра кулоновской связи (отношение потенциальной энергии между соседними частицами к их кинетической температуре) является центральным направлением исследований ультрахолодной нейтральной плазмы. При увеличении кулоновского параметра выше единицы потенциальные энергии между ионами начинают доминировать над тепловым движением, и становится трудно отличить малые тепловые движения ионов от расширяющейся плазмы.
«В стационарной плазме температура определяется сравнением скорости нагрева и охлаждения», — продолжил Лангин. «Если вы можете изменить скорость охлаждения, вы можете снизить температуру плазмы». Это было опробовано с отдельными частицами, но до сих пор это обсуждалось только теоретически для плазмы.
«У нас есть возможность охлаждать по всем трем осям кросс-поляризованными лучами… через 10 наносекунд мы получили изображение расширяющегося облака», — описал он. Используя лазерно-индуцированную флуоресцентную спектроскопию, они смогли увидеть температурную эволюцию ультрахолодной нейтральной плазмы с лазерным охлаждением, что для Лангина «довольно интересно» для области ультрахолодной плазмы.
Однако характеристика температуры плазмы является не менее сложной задачей. Хотя существует несколько измерений температуры электронов в ультрахолодной нейтральной плазме, они, как правило, применимы только на ранних этапах эволюции плазмы и имеют большие погрешности. Дункан Тейт из колледжа Колби стремился решить эту проблему и, наконец, коснулся поверхности определения точного диапазона в так называемой ридберговской плазме. Атомы Ридберга — это сильно возбужденные частицы, электронные орбитали которых могут быть очень большими.
«Я думаю, что за последние 15 или около того лет [физики] развили понимание того, как ридберговские атомы превращаются в плазму, но понимание того, какова температура образца ультрахолодных ридберговских атомов… столько», — объяснил Тейт во время презентации DAMOP.
Подобно тому, как измерялась температура в исследованиях Лангина, Тейт и его коллеги измеряли скорость расширения плазмы спектроскопически. «Мы сделали это для множества ридберговских состояний и плотностей и получили значения [электронной] температуры ридберговской плазмы», — сказал Тейт. «Чем меньше расстояние [между атомами], тем горячее плазма». Это соотношение оказалось универсальной кривой, на которой энергии связи различных ридберговских состояний можно было изобразить как функцию плотности ридберговских атомов.
«Как только у вас есть критическая плотность ионов, так что электроны не могут убежать, [плазма] достигает так называемого «лавинного режима», — описал Тейт. В этой лавине плазма быстро полностью ионизируется. «Наше понимание сейчас таково, что окончание лавинного процесса — это то, что определяет последующую электронную температуру плазмы, и плазма будет расширяться, как если бы в ней вообще не было [неионизированных] атомов».
Температура плазмы — лишь одна из основных характеристик, необходимых для понимания этого состояния вещества, и новые инструменты в атомной физике должны расширить возможности исследователей по тестированию параметров плазмы в более экстремальных условиях. Работа с плотностью, скоростью охлаждения и зарядами этого странного состояния материи может расширить понимание плазмы в лаборатории — и большей части Вселенной вокруг нас.
©1995 — 2022, АМЕРИКАНСКОЕ ФИЗИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО
APS поощряет распространение материалов, включенных в эту газету, при условии, что указана ссылка на источник, а материалы не сокращены и не изменены.
Монтажер: Дэвид Восс
Штатный научный сотрудник: Рэйчел Гаал
Корреспондент: Алайна Г. Левин
Дизайнер публикации и производство: Нэнси Беннетт-Карасик
