Des chercheurs du pôle d'excellence « CUI :Advanced Imaging of Matter » ont réalisé une percée en créant un tout nouveau type de plasma en combinant des technologies de pointe utilisant des impulsions laser ultracourtes et des gaz atomiques ultrafroids. Ils rapportent un nouveau mécanisme de refroidissement électronique se produisant dans de tels plasmas dans la revue Communication Nature .

La matière existe sous quatre états :solide, gaz, liquide, et le plasma, le plasma étant l'état le plus abondant dans l'univers visible. Il se compose de particules chargées libres telles que des ions et des électrons. Les plasmas peuvent exister dans une vaste gamme de températures et de densités, du noyau du soleil à la foudre ou aux flammes. Les défis pour comprendre la dynamique du plasma sont d'abord d'identifier des mécanismes universels, puis de les comparer à une expérience de laboratoire contrôlée. "Avec le travail présenté, nous espérons contribuer à une compréhension plus large des processus fondamentaux se produisant dans les systèmes plasma extrêmes, qui ne sont pas directement accessibles pour la recherche expérimentale, " Premier auteur Tobias Kroker du groupe de recherche du Prof. Dr. Markus Drescher dans le Département de Physique déclare.

Au Center for Optical Quantum Technologies de l'Universität Hamburg, les chercheurs refroidissent et piègent les atomes avec la lumière laser. Ils utilisent le champ lumineux intense d'une impulsion laser ultracourte pour décomposer les atomes en électrons et ions en 200 femtosecondes. Une femtoseconde est un millionième d'un milliardième de seconde. En raison de la température initiale extrêmement basse des atomes, les ions ont des températures inférieures à 40 millikelvin, qui n'est qu'une fraction au-dessus de la température la plus basse possible dans l'univers (0 Kelvin ou moins 273 degrés sur l'échelle Celsius). En revanche, les électrons sont d'abord très chauds avec des températures de 5250 Kelvin, proches de celles trouvées à la surface du soleil.

Les électrons chauds directement créés par l'impulsion laser ultracourte commencent à s'échapper et laissent derrière eux une région chargée positivement qui piège certains des électrons dans un plasma ultrafroid. "Un tel état de plasma n'a jamais été observé auparavant, " dit Kroker. Les chercheurs des groupes du Prof. Dr. Markus Drescher et du Prof. Dr. Klaus Sengstock ont ​​observé que les électrons piégés dans le plasma sont refroidis sur des échelles de temps ultrarapides et ont mesuré la température électronique finale. De plus, ils ont observé que le plasma est stable sur quelques centaines de nanosecondes, ce qui est très long pour de tels systèmes.

De tels plasmas ultrafroids fournissent des références pour les modèles théoriques et peuvent éclairer les conditions extrêmes présentes dans la fusion par confinement inertiel ou les objets astronomiques tels que les naines blanches. Par ailleurs, les électrons ultrafroids qui en résultent sont intéressants en eux-mêmes comme source lumineuse pour l'imagerie d'échantillons biologiques.