Les physiciens de l'Université Rice ont découvert un moyen de piéger le plasma le plus froid du monde dans une bouteille magnétique, une réalisation technologique qui pourrait faire avancer la recherche sur les énergies propres, la météo spatiale et l'astrophysique.

"Pour comprendre comment le vent solaire interagit avec la Terre, ou pour générer de l'énergie propre à partir de la fusion nucléaire, il faut comprendre comment le plasma - une soupe d'électrons et d'ions - se comporte dans un champ magnétique, " a déclaré Tom Killian, doyen des sciences naturelles du riz, l'auteur correspondant d'une étude publiée sur le travail en Lettres d'examen physique .

En utilisant du strontium refroidi au laser, Killian et les étudiants diplômés Grant Gorman et MacKenzie Warrens ont fait un plasma d'environ 1 degré au-dessus du zéro absolu, soit environ -272 degrés Celsius, et l'a piégé brièvement avec les forces des aimants environnants. C'est la première fois qu'un plasma ultrafroid est confiné magnétiquement, et Killian, qui a étudié les plasmas ultrafroids pendant plus de deux décennies, dit qu'il ouvre la porte à l'étude des plasmas dans de nombreux contextes.

"Cela fournit un banc d'essai propre et contrôlable pour étudier les plasmas neutres dans des endroits beaucoup plus complexes, comme l'atmosphère du soleil ou les étoiles naines blanches, " dit Killian, professeur de physique et d'astronomie. "C'est vraiment utile d'avoir le plasma si froid et d'avoir ces systèmes de laboratoire très propres. Commencer par un simple, petit, bien contrôlé, système bien compris vous permet de supprimer une partie de l'encombrement et d'isoler vraiment le phénomène que vous voulez voir."

C'est important pour le co-auteur de l'étude Stephen Bradshaw, un astrophysicien Rice spécialisé dans l'étude des phénomènes plasmatiques sur le soleil.

"Dans toute l'atmosphère du soleil, le (fort) champ magnétique a pour effet de tout altérer par rapport à ce que l'on attendrait sans champ magnétique, mais de manière très subtile et compliquée qui peut vraiment vous faire trébucher si vous n'en avez pas une très bonne compréhension, " dit Bradshaw, professeur agrégé de physique et d'astronomie.

Les physiciens solaires obtiennent rarement une observation claire des caractéristiques spécifiques de l'atmosphère du soleil, car une partie de l'atmosphère se situe entre la caméra et ces caractéristiques, et des phénomènes sans rapport dans l'atmosphère intermédiaire obscurcissent ce qu'ils aimeraient observer.

"Malheureusement, à cause de ce problème de ligne de mire, les mesures observationnelles des propriétés du plasma sont associées à de nombreuses incertitudes, " a déclaré Bradshaw. " Mais à mesure que nous améliorons notre compréhension des phénomènes, et surtout, utiliser les résultats du laboratoire pour tester et calibrer nos modèles numériques, alors j'espère que nous pourrons réduire l'incertitude de ces mesures."

Le plasma est l'un des quatre états fondamentaux de la matière, mais contrairement aux solides, liquides et gaz, les plasmas ne font généralement pas partie de la vie quotidienne car ils ont tendance à se produire dans des endroits très chauds comme le soleil, un éclair ou une flamme de bougie. Comme ces plasmas chauds, Les plasmas de Killian sont des soupes d'électrons et d'ions, mais ils sont refroidis par refroidissement laser, une technique mise au point il y a un quart de siècle pour piéger et ralentir la matière avec la lumière.

Killian a déclaré que la configuration magnétique quadripolaire qui a été utilisée pour piéger le plasma est une partie standard de la configuration ultrafroide que son laboratoire et d'autres utilisent pour fabriquer des plasmas ultrafroids. Mais trouver comment piéger le plasma avec les aimants était un problème épineux car le champ magnétique fait des ravages dans le système optique que les physiciens utilisent pour observer les plasmas ultrafroids.

"Notre diagnostic est la fluorescence induite par laser, où nous projetons un faisceau laser sur les ions de notre plasma, et si la fréquence du faisceau est juste, les ions diffuseront très efficacement les photons, " dit-il. " Vous pouvez prendre une photo d'eux et voir où sont les ions, et vous pouvez même mesurer leur vitesse en regardant le décalage Doppler, tout comme utiliser un pistolet radar pour voir à quelle vitesse une voiture se déplace. Mais les champs magnétiques se déplacent en fait autour des fréquences de résonance, et nous devons démêler les décalages dans le spectre qui proviennent du champ magnétique des décalages Doppler que nous sommes intéressés à observer."

Cela complique considérablement les expériences, et pour rendre les choses encore plus compliquées, les champs magnétiques changent considérablement dans tout le plasma.

"Nous devons donc faire face non seulement à un champ magnétique, mais un champ magnétique qui varie dans l'espace, d'une manière raisonnablement compliquée, pour comprendre les données et comprendre ce qui se passe dans le plasma, " a déclaré Killian. " Nous avons passé un an à essayer de comprendre ce que nous voyions une fois que nous avons obtenu les données. "

Le comportement du plasma dans les expériences est également rendu plus complexe par le champ magnétique. C'est précisément pourquoi la technique de piégeage pourrait être si utile.

"Il y a beaucoup de complexité car notre plasma se dilate à travers ces lignes de champ et commence à ressentir les forces et à être piégé, " a déclaré Killian. " C'est un phénomène très courant, mais c'est très compliqué et quelque chose que nous devons vraiment comprendre."

Un exemple de la nature est le vent solaire, des flux de plasma à haute énergie du soleil qui provoquent les aurores boréales, ou aurores boréales. Lorsque le plasma du vent solaire frappe la Terre, il interagit avec le champ magnétique de notre planète, et les détails de ces interactions ne sont toujours pas clairs. Un autre exemple est la recherche sur l'énergie de fusion, où les physiciens et les ingénieurs espèrent recréer les conditions à l'intérieur du soleil pour créer une vaste réserve d'énergie propre.

Killian a dit que la configuration magnétique quadripolaire qu'il, Gorman et Warrens utilisés pour embouteiller leurs plasmas ultrafroids sont similaires aux conceptions développées par les chercheurs en énergie de fusion dans les années 1960. Le plasma pour la fusion doit être d'environ 150 millions de degrés Celsius, et le contenir magnétiquement est un défi, Bradshaw a dit, en partie à cause des questions sans réponse sur la façon dont le plasma et les champs magnétiques interagissent et s'influencent mutuellement.

"L'un des problèmes majeurs est de maintenir le champ magnétique suffisamment stable assez longtemps pour contenir réellement la réaction, " dit Bradshaw. " Dès qu'il y a une petite sorte de perturbation dans le champ magnétique, ça pousse et 'pfft, ' la réaction nucléaire est ruinée.

"Pour que ça marche bien, il faut vraiment garder les choses, vraiment stable, " dit-il. " Et là encore, regarder les choses d'une manière vraiment agréable, un plasma de laboratoire vierge pourrait nous aider à mieux comprendre comment les particules interagissent avec le champ."