Les trois états physiques classiques—solide, liquide et gazeux - peut être observé dans n'importe quelle cuisine normale, par exemple lorsque vous portez un glaçon à ébullition. Mais si vous chauffez encore plus le matériau, de sorte que les atomes d'une substance entrent en collision et que les électrons s'en séparent, puis un autre état est atteint :le plasma. Plus de 99% de la matière dans l'espace est présente sous cette forme, à l'intérieur des étoiles par exemple. Il n'est donc pas étonnant que les physiciens soient désireux d'étudier de tels matériaux. Malheureusement, créer et étudier des plasmas sur Terre en utilisant la température et la pression élevées qui existent à l'intérieur des étoiles est extrêmement difficile pour diverses raisons. Les physiciens de l'université Friedrich Schiller d'Iéna ont maintenant réussi à résoudre certains de ces problèmes, et ils ont rendu compte de leurs résultats dans la célèbre revue de recherche Examen physique X .

Les nanofils laissent passer la lumière

« Chauffer un matériau de manière à former un plasma, nous avons besoin en conséquence d'une énergie élevée. Nous utilisons généralement la lumière sous la forme d'un grand laser pour ce faire, " explique Christian Spielmann de l'Université d'Iéna. " Cependant, cette lumière doit être à impulsions très courtes, de sorte que le matériau ne se dilate pas immédiatement lorsqu'il a atteint la température appropriée, mais tient ensemble sous forme de plasma dense pendant une brève période." Il y a un problème avec cette configuration expérimentale, cependant : « Lorsque le faisceau laser frappe l'échantillon, le plasma est créé. Cependant, il commence presque immédiatement à agir comme un miroir et réfléchit une grande partie de l'énergie entrante, qui ne pénètre donc pas pleinement la matière. Plus la longueur d'onde de l'impulsion laser est longue, plus le problème est critique, " dit Zhanna Samsonova, qui a joué un rôle de premier plan dans le projet.

Pour éviter cet effet miroir, les chercheurs d'Iéna ont utilisé des échantillons faits de fils de silicium. Le diamètre de ces fils, quelques centaines de nanomètres, est inférieur à la longueur d'onde d'environ quatre micromètres de la lumière entrante. "Nous avons été les premiers à utiliser un laser avec une longueur d'onde aussi longue pour la création de plasma, " dit Spielmann. " La lumière pénètre entre les fils de l'échantillon et les chauffe de tous les côtés, de sorte que pendant quelques picosecondes, un volume de plasma significativement plus important est créé que si le laser est réfléchi. Environ 70 pour cent de l'énergie parvient à pénétrer dans l'échantillon. grâce aux courtes impulsions laser, le matériau chauffé existe un peu plus longtemps avant de se dilater. Finalement, par spectroscopie à rayons X, les chercheurs peuvent récupérer des informations précieuses sur l'état du matériau.

Valeurs maximales pour la température et la densité

"Avec notre méthode, il est possible d'atteindre de nouvelles valeurs maximales de température et de densité en laboratoire, " dit Spielmann. Avec une température d'environ 10 millions de Kelvin, le plasma est bien plus chaud que la matière à la surface du Soleil, par exemple. Spielmann mentionne également les partenaires de coopération dans le projet. Pour les expériences laser, les scientifiques d'Iéna ont utilisé une installation de l'Université de technologie de Vienne; les échantillons proviennent de l'Institut national de métrologie d'Allemagne à Braunschweig; et des simulations informatiques pour confirmer les résultats proviennent de collègues de Darmstadt et Düsseldorf.

Les résultats de l'équipe d'Iéna sont un succès sans précédent, offrant une toute nouvelle approche de la recherche sur le plasma. Les théories sur l'état du plasma peuvent être vérifiées par des expériences et des simulations informatiques ultérieures. Cela permettra aux chercheurs de mieux comprendre les processus cosmologiques. En outre, les scientifiques effectuent de précieux travaux préparatoires à l'installation d'appareils à grande échelle. Par exemple, l'accélérateur international de particules, Installation de recherche sur les antiprotons et les ions (FAIR), est actuellement en construction à Darmstadt et devrait être opérationnel vers 2025. Grâce aux nouvelles informations, il sera possible de sélectionner des domaines spécifiques qui méritent un examen plus approfondi.