Los físicos de la Universidad de Rice han creado el primer plasma neutro enfriado por láser del mundo, completando una búsqueda de 20 años que prepara el escenario para simuladores que recrean estados exóticos de la materia que se encuentran dentro de Júpiter y las estrellas enanas blancas.

Los hallazgos se detallan esta semana en la revista. Ciencias e implican nuevas técnicas para enfriar con láser nubes de plasma en rápida expansión a temperaturas unas 50 veces más frías que el espacio profundo.

"Aún no conocemos la recompensa práctica, pero cada vez que los físicos enfrían con láser un nuevo tipo de cosas, ha abierto todo un mundo de posibilidades, "dijo el científico principal Tom Killian, profesor de física y astronomía en Rice. "Nadie predijo que el enfriamiento de átomos e iones con láser conduciría a los relojes más precisos del mundo o los avances en la computación cuántica. Hacemos esto porque es una frontera".

Killian y los estudiantes de posgrado Tom Langin y Grant Gorman utilizaron 10 láseres de diferentes longitudes de onda para crear y enfriar el plasma neutro. Comenzaron vaporizando estroncio metálico y usando un conjunto de rayos láser que se cruzaban para atrapar y enfriar una nube de átomos de estroncio del tamaño de la yema del dedo de un niño. Próximo, ionizaron el gas ultrafrío con una explosión de 10 nanosegundos de un láser pulsado. Al quitar un electrón de cada átomo, el pulso convirtió el gas en un plasma de iones y electrones.

La energía de la explosión ionizante hace que el plasma recién formado se expanda rápidamente y se disipe en menos de una milésima de segundo. El hallazgo clave de esta semana es que los iones en expansión se pueden enfriar con otro conjunto de láseres después de que se crea el plasma. Killian, Langin y Gorman describen sus técnicas en el nuevo artículo, despejando el camino para que su laboratorio y otros produzcan plasmas aún más fríos que se comporten de manera extraña, formas inexplicables.

El plasma es una mezcla conductora de electricidad de electrones e iones. Es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia; pero a diferencia de los sólidos, líquidos y gases, que son familiares en la vida diaria, los plasmas tienden a ocurrir en lugares muy calientes como la superficie del sol o un rayo. Al estudiar los plasmas ultrafríos, El equipo de Killian espera responder preguntas fundamentales sobre cómo se comporta la materia en condiciones extremas de alta densidad y baja temperatura.

Para hacer sus plasmas el grupo comienza con enfriamiento por láser, un método para atrapar y ralentizar partículas con rayos láser que se cruzan. Cuanta menos energía tenga un átomo o ión, cuanto más frío hace, y más lento se mueve aleatoriamente. El enfriamiento por láser se desarrolló en la década de 1990 para ralentizar los átomos hasta que estén casi inmóviles, o solo unas millonésimas de grado por encima del cero absoluto.

"Si un átomo o ión se está moviendo, y tengo un rayo láser que se opone a su movimiento, a medida que dispersa los fotones del rayo, obtiene patadas de impulso que lo ralentizan, "Dijo Killian." El truco consiste en asegurarse de que la luz siempre se dispersa desde un láser que se opone al movimiento de la partícula. Si haces eso, la partícula se ralentiza y ralentiza y ralentiza ".

Durante una beca postdoctoral en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Bethesda, Maryland., en 1999, Killian fue pionero en el método de ionización para crear plasma neutro a partir de un gas enfriado por láser. Cuando se unió a la facultad de Rice al año siguiente, inició la búsqueda de una forma de enfriar aún más los plasmas. Una de las motivaciones fue lograr "un fuerte acoplamiento, "un fenómeno que ocurre naturalmente en los plasmas sólo en lugares exóticos como las estrellas enanas blancas y el centro de Júpiter.

"No podemos estudiar plasmas fuertemente acoplados en lugares donde ocurren naturalmente, "Dijo Killian." Los plasmas neutros de enfriamiento por láser nos permiten hacer plasmas fuertemente acoplados en un laboratorio, para que podamos estudiar sus propiedades "

"En plasmas fuertemente acoplados, hay más energía en las interacciones eléctricas entre partículas que en la energía cinética de su movimiento aleatorio, ", Dijo Killian." Nos centramos principalmente en los iones, que se sienten, y reorganizarse en respuesta a las posiciones de sus vecinos. Eso es lo que significa un acoplamiento fuerte ".

Debido a que los iones tienen cargas eléctricas positivas, se repelen entre sí mediante la misma fuerza que hace que su cabello se erice si se carga con electricidad estática.

"Los iones fuertemente acoplados no pueden estar cerca unos de otros, por lo que intentan encontrar el equilibrio, un arreglo donde se equilibra la repulsión de todos sus vecinos, ", dijo." Esto puede conducir a fenómenos extraños como plasmas líquidos o incluso sólidos, que están muy lejos de nuestra experiencia normal ".

En normal plasmas débilmente acoplados, estas fuerzas repulsivas solo tienen una pequeña influencia en el movimiento de los iones porque son superadas con creces por los efectos de la energía cinética, o calor.

"Las fuerzas repulsivas son normalmente como un susurro en un concierto de rock, "Dijo Killian." Están ahogados por todo el ruido cinético en el sistema ".

En el centro de Júpiter o una estrella enana blanca, sin embargo, la gravedad intensa aprieta los iones tan estrechamente que las fuerzas repulsivas, que se vuelven mucho más fuertes a distancias más cortas, ganar. Aunque la temperatura es bastante alta, Los iones se acoplan fuertemente.

El equipo de Killian crea plasmas que son órdenes de magnitud más bajos en densidad que aquellos dentro de planetas o estrellas muertas. pero al bajar la temperatura, aumentan la relación entre las energías eléctrica y cinética. A temperaturas tan bajas como un décimo de Kelvin por encima del cero absoluto, El equipo de Killian ha visto hacerse cargo de fuerzas repulsivas.

"El enfriamiento por láser está bien desarrollado en gases de átomos neutros, por ejemplo, pero los desafíos son muy diferentes en plasmas, " él dijo.

"Estamos apenas comenzando a explorar las implicaciones de un fuerte acoplamiento en plasmas ultrafríos, "Dijo Killian." Por ejemplo, cambia la forma en que el calor y los iones se difunden a través del plasma. Podemos estudiar esos procesos ahora. Espero que esto mejore nuestros modelos de exóticos, plasmas astrofísicos fuertemente acoplados, pero estoy seguro de que también haremos descubrimientos con los que aún no habíamos soñado. Así es como funciona la ciencia ".

La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía.