Les physiciens de l'Université Rice ont créé le premier plasma neutre refroidi par laser au monde, terminer une quête de 20 ans qui ouvre la voie à des simulateurs qui recréent des états exotiques de la matière trouvés à l'intérieur de Jupiter et des étoiles naines blanches.

Les résultats sont détaillés cette semaine dans le journal Science et impliquent de nouvelles techniques pour refroidir au laser des nuages ​​de plasma en expansion rapide à des températures environ 50 fois plus froides que l'espace lointain.

"Nous ne connaissons pas encore le résultat pratique, mais à chaque fois que les physiciens ont refroidi au laser un nouveau genre de chose, il a ouvert tout un monde de possibilités, " a déclaré le scientifique principal Tom Killian, professeur de physique et d'astronomie à Rice. "Personne n'avait prédit que le refroidissement par laser des atomes et des ions conduirait aux horloges les plus précises au monde ou à des percées dans l'informatique quantique. Nous faisons cela parce que c'est une frontière."

Killian et les étudiants diplômés Tom Langin et Grant Gorman ont utilisé 10 lasers de différentes longueurs d'onde pour créer et refroidir le plasma neutre. Ils ont commencé par vaporiser du strontium métallique et utiliser un ensemble de faisceaux laser qui se croisent pour piéger et refroidir une bouffée d'atomes de strontium de la taille d'un doigt d'enfant. Prochain, ils ont ionisé le gaz ultrafroid avec un souffle de 10 nanosecondes d'un laser pulsé. En retirant un électron de chaque atome, l'impulsion a converti le gaz en un plasma d'ions et d'électrons.

L'énergie de l'explosion ionisante provoque l'expansion rapide du plasma nouvellement formé et sa dissipation en moins d'un millième de seconde. La principale découverte de cette semaine est que les ions en expansion peuvent être refroidis avec un autre ensemble de lasers après la création du plasma. Killian, Langin et Gorman décrivent leurs techniques dans le nouvel article, ouvrant la voie à leur laboratoire et à d'autres pour fabriquer des plasmas encore plus froids qui se comportent de manière étrange, manières inexpliquées.

Le plasma est un mélange électriquement conducteur d'électrons et d'ions. C'est l'un des quatre états fondamentaux de la matière; mais contrairement aux solides, liquides et gaz, qui sont familiers dans la vie quotidienne, les plasmas ont tendance à se produire dans des endroits très chauds comme la surface du soleil ou un éclair. En étudiant les plasmas ultrafroids, L'équipe de Killian espère répondre à des questions fondamentales sur le comportement de la matière dans des conditions extrêmes de haute densité et de basse température.

Pour faire ses plasmas, le groupe commence par le refroidissement laser, une méthode pour piéger et ralentir les particules avec des faisceaux laser qui se croisent. Moins un atome ou un ion a d'énergie, plus il fait froid, et plus il se déplace lentement au hasard. Le refroidissement laser a été développé dans les années 1990 pour ralentir les atomes jusqu'à ce qu'ils soient presque immobiles, ou juste quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

"Si un atome ou un ion bouge, et j'ai un rayon laser qui s'oppose à son mouvement, lorsqu'il diffuse des photons du faisceau, il reçoit des coups d'élan qui le ralentissent, " a déclaré Killian. " L'astuce consiste à s'assurer que la lumière est toujours diffusée par un laser qui s'oppose au mouvement de la particule. Si vous faites cela, la particule ralentit et ralentit et ralentit."

Au cours d'une bourse postdoctorale au National Institute of Standards and Technology à Bethesda, Maryland., en 1999, Killian a été le pionnier de la méthode d'ionisation pour créer un plasma neutre à partir d'un gaz refroidi par laser. Lorsqu'il a rejoint la faculté de Rice l'année suivante, il a commencé à chercher un moyen de rendre les plasmas encore plus froids. L'une des motivations était de parvenir à un « couplage fort, " un phénomène qui se produit naturellement dans les plasmas uniquement dans des endroits exotiques comme les étoiles naines blanches et le centre de Jupiter.

"Nous ne pouvons pas étudier les plasmas fortement couplés dans des endroits où ils se produisent naturellement, " a déclaré Killian. " Le refroidissement par laser des plasmas neutres nous permet de fabriquer des plasmas fortement couplés dans un laboratoire, afin que nous puissions étudier leurs propriétés"

"Dans les plasmas fortement couplés, il y a plus d'énergie dans les interactions électriques entre les particules que dans l'énergie cinétique de leur mouvement aléatoire, " a déclaré Killian. " Nous nous concentrons principalement sur les ions, qui se sentent, et se réorganiser en réponse aux positions de leurs voisins. C'est ce que signifie un couplage fort."

Parce que les ions ont des charges électriques positives, ils se repoussent par la même force qui fait que vos cheveux se redressent s'ils sont chargés d'électricité statique.

"Les ions fortement couplés ne peuvent pas être proches les uns des autres, alors ils essaient de trouver l'équilibre, un arrangement où la répulsion de tous leurs voisins est équilibrée, " a-t-il dit. " Cela peut conduire à des phénomènes étranges comme des plasmas liquides ou même solides, qui sont bien en dehors de notre expérience normale."

En temps normal, plasmas faiblement couplés, ces forces répulsives n'ont qu'une faible influence sur le mouvement des ions car elles sont largement compensées par les effets de l'énergie cinétique, ou de la chaleur.

"Les forces répulsives sont normalement comme un murmure lors d'un concert de rock, " dit Killian. " Ils sont noyés par tout le bruit cinétique du système. "

Au centre de Jupiter ou d'une étoile naine blanche, cependant, la gravité intense serre les ions ensemble si étroitement que les forces répulsives, qui deviennent beaucoup plus forts à des distances plus courtes, tout gagner. Même si la température est assez élevée, les ions deviennent fortement couplés.

L'équipe de Killian crée des plasmas d'ordres de grandeur inférieurs en densité à ceux à l'intérieur des planètes ou des étoiles mortes, mais en abaissant la température, ils élèvent le rapport entre les énergies électrique et cinétique. À des températures aussi basses qu'un dixième de Kelvin au-dessus du zéro absolu, L'équipe de Killian a vu des forces répulsives prendre le dessus.

"Le refroidissement laser est bien développé dans les gaz d'atomes neutres, par exemple, mais les défis sont très différents dans les plasmas, " il a dit.

"Nous ne faisons que commencer à explorer les implications d'un couplage fort dans les plasmas ultrafroids, " dit Killian. " Par exemple, il modifie la façon dont la chaleur et les ions diffusent à travers le plasma. Nous pouvons étudier ces processus maintenant. J'espère que cela améliorera nos modèles d'exotisme, plasmas astrophysiques fortement couplés, mais je suis sûr que nous ferons aussi des découvertes dont nous n'avons pas encore rêvé. C'est ainsi que fonctionne la science."

La recherche a été soutenue par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force et le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie.