Los tres estados físicos clásicos:sólido, líquido y gaseoso:se puede observar en cualquier cocina normal, por ejemplo cuando hierve un cubito de hielo. Pero si calienta el material aún más, de modo que los átomos de una sustancia chocan y los electrones se separan de ellos, luego se alcanza otro estado:plasma. Más del 99 por ciento del material en el espacio está presente en esta forma, estrellas interiores, por ejemplo. Por tanto, no es de extrañar que los físicos estén interesados ​​en estudiar este tipo de material. Desafortunadamente, crear y estudiar plasmas en la Tierra utilizando la alta temperatura y presión que existen dentro de las estrellas es extremadamente desafiante por varias razones. Los físicos de la Universidad Friedrich Schiller en Jena ahora han logrado resolver algunos de estos problemas, y han informado sobre sus resultados en la reconocida revista de investigación Revisión física X .

Los nanocables dejan pasar la luz

"Para calentar el material de tal manera que se forme plasma, necesitamos correspondientemente alta energía. Generalmente usamos luz en forma de un láser grande para hacer esto, "explica Christian Spielmann de la Universidad de Jena". Sin embargo, esta luz tiene que tener un pulso muy corto, para que el material no se expanda inmediatamente cuando haya alcanzado la temperatura adecuada, pero se mantiene unido como plasma denso durante un breve período ". Hay un problema con esta configuración experimental, aunque:"Cuando el rayo láser golpea la muestra, se crea plasma. Sin embargo, casi de inmediato comienza a actuar como un espejo y refleja una gran parte de la energía entrante, que, por lo tanto, no logra penetrar completamente el asunto. Cuanto mayor sea la longitud de onda del pulso láser, cuanto más crítico es el problema, "dice Zhanna Samsonova, que tuvo un papel protagonista en el proyecto.

Para evitar este efecto espejo, los investigadores de Jena utilizaron muestras hechas de cables de silicio. El diámetro de estos cables (unos pocos cientos de nanómetros) es menor que la longitud de onda de alrededor de cuatro micrómetros de la luz entrante. "Fuimos los primeros en utilizar un láser con una longitud de onda tan larga para la creación de plasma, "dice Spielmann." La luz penetra entre los cables de la muestra y los calienta por todos lados, para que por unos picosegundos, Se crea un volumen de plasma significativamente mayor que si se reflejara el láser. Alrededor del 70 por ciento de la energía logra penetrar en la muestra ". Además, gracias a los pulsos de láser cortos, el material calentado existe un poco más antes de expandirse. Finalmente, utilizando espectroscopia de rayos X, los investigadores pueden recuperar información valiosa sobre el estado del material.

Valores máximos de temperatura y densidad

"Con nuestro método, es posible alcanzar nuevos valores máximos de temperatura y densidad en un laboratorio, ", dice Spielmann. Con una temperatura de alrededor de 10 millones de Kelvin, el plasma es mucho más caliente que el material en la superficie del Sol, por ejemplo. Spielmann también menciona a los socios de cooperación en el proyecto. Para los experimentos con láser, los científicos de Jena utilizaron una instalación en la Universidad Tecnológica de Viena; las muestras proceden del Instituto Nacional de Metrología de Alemania en Braunschweig; y las simulaciones por computadora para confirmar los hallazgos provienen de colegas en Darmstadt y Düsseldorf.

Los resultados del equipo de Jena son un éxito rotundo, ofreciendo un enfoque completamente nuevo para la investigación del plasma. Las teorías sobre el estado del plasma se pueden verificar mediante experimentos y posteriores simulaciones por computadora. Esto permitirá a los investigadores comprender mejor los procesos cosmológicos. Además, los científicos están llevando a cabo un valioso trabajo preparatorio para la instalación de aparatos a gran escala. Por ejemplo, el acelerador de partículas internacional, Instalación para la investigación de antiprotones e iones (FAIR), se encuentra actualmente en construcción en Darmstadt y debería estar operativo alrededor de 2025. Gracias a la nueva información, será posible seleccionar áreas específicas que merezcan un examen más detenido.