Los físicos de la Universidad de Rice han descubierto una forma de atrapar el plasma más frío del mundo en una botella magnética, un logro tecnológico que podría hacer avanzar la investigación sobre energías limpias, clima espacial y astrofísica.

"Para comprender cómo interactúa el viento solar con la Tierra, o para generar energía limpia a partir de la fusión nuclear, hay que entender cómo se comporta el plasma, una sopa de electrones e iones, en un campo magnético, "dijo Rice, Decano de Ciencias Naturales, Tom Killian, el autor correspondiente de un estudio publicado sobre el trabajo en Cartas de revisión física .

Usando estroncio enfriado por láser, Killian y los estudiantes de posgrado Grant Gorman y MacKenzie Warrens hicieron un plasma de aproximadamente 1 grado por encima del cero absoluto, o aproximadamente -272 grados Celsius, y lo atrapó brevemente con las fuerzas de los imanes circundantes. Es la primera vez que se confina magnéticamente un plasma ultrafrío, y killian, que ha estudiado plasmas ultrafríos durante más de dos décadas, dijo que abre la puerta para estudiar plasmas en muchos entornos.

"Esto proporciona un banco de pruebas limpio y controlable para estudiar plasmas neutros en ubicaciones mucho más complejas, como la atmósfera del sol o las estrellas enanas blancas, "dijo Killian, profesor de física y astronomía. "Es realmente útil tener el plasma tan frío y tener estos sistemas de laboratorio muy limpios. Comenzando con un simple, pequeña, bien controlada, El sistema bien entendido le permite eliminar parte del desorden y realmente aislar el fenómeno que desea ver ".

Eso es importante para el coautor del estudio, Stephen Bradshaw, un astrofísico de Rice que se especializa en estudiar los fenómenos del plasma en el sol.

"A lo largo de la atmósfera del sol, el campo magnético (fuerte) tiene el efecto de alterar todo en relación con lo que cabría esperar sin un campo magnético, pero de formas muy sutiles y complicadas que realmente pueden hacerte tropezar si no lo entiendes muy bien, "dijo Bradshaw, profesor asociado de física y astronomía.

Los físicos solares rara vez obtienen una observación clara de características específicas en la atmósfera del sol porque parte de la atmósfera se encuentra entre la cámara y esas características. y los fenómenos no relacionados en la atmósfera intermedia oscurecen lo que les gustaría observar.

"Desafortunadamente, debido a este problema de línea de visión, Las mediciones observacionales de las propiedades del plasma están asociadas con bastante incertidumbre, ", Dijo Bradshaw." Pero a medida que mejoramos nuestra comprensión de los fenómenos, y de manera crucial, utilizar los resultados de laboratorio para probar y calibrar nuestros modelos numéricos, entonces, con suerte, podemos reducir la incertidumbre en estas mediciones ".

El plasma es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia, pero a diferencia de los sólidos, líquidos y gases, Los plasmas generalmente no son parte de la vida cotidiana porque tienden a ocurrir en lugares muy cálidos como el sol, un rayo o la llama de una vela. Como esos plasmas calientes Los plasmas de Killian son sopas de electrones e iones, pero se enfrían por enfriamiento con láser, una técnica desarrollada hace un cuarto de siglo para atrapar y ralentizar la materia con luz.

Killian dijo que la configuración magnética cuadrupolo que se usó para atrapar el plasma es una parte estándar de la configuración ultrafrío que su laboratorio y otros usan para hacer plasmas ultrafríos. Pero descubrir cómo atrapar el plasma con los imanes fue un problema espinoso porque el campo magnético causa estragos en el sistema óptico que usan los físicos para observar los plasmas ultrafríos.

"Nuestro diagnóstico es la fluorescencia inducida por láser, donde iluminamos con un rayo láser los iones de nuestro plasma, y si la frecuencia del haz es la correcta, los iones dispersarán los fotones de manera muy efectiva, ", dijo." Puede tomar una foto de ellos y ver dónde están los iones, e incluso puede medir su velocidad mirando el desplazamiento Doppler, al igual que usar una pistola de radar para ver qué tan rápido se mueve un automóvil. Pero los campos magnéticos realmente cambian alrededor de las frecuencias resonantes, y tenemos que desenredar los cambios en el espectro que provienen del campo magnético de los cambios Doppler que estamos interesados ​​en observar ".

Eso complica significativamente los experimentos, y para complicar aún más las cosas, los campos magnéticos cambian drásticamente en todo el plasma.

"Así que tenemos que lidiar no solo con un campo magnético, pero un campo magnético que varía en el espacio, de una manera razonablemente complicada, para comprender los datos y averiguar qué está sucediendo en el plasma, ", Dijo Killian." Pasamos un año tratando de averiguar qué estábamos viendo una vez que obtuvimos los datos ".

El comportamiento del plasma en los experimentos también se vuelve más complejo por el campo magnético. Por eso, precisamente, la técnica de captura podría ser tan útil.

"Hay mucha complejidad a medida que nuestro plasma se expande a través de estas líneas de campo y comienza a sentir las fuerzas y queda atrapado, ", Dijo Killian." Este es un fenómeno muy común, pero es muy complicado y algo que realmente necesitamos entender ".

Un ejemplo de la naturaleza es el viento solar, corrientes de plasma de alta energía del sol que provocan la aurora boreal, o auroras boreales. Cuando el plasma del viento solar golpea la Tierra, interactúa con el campo magnético de nuestro planeta, y los detalles de esas interacciones aún no están claros. Otro ejemplo es la investigación de la energía de fusión, donde los físicos e ingenieros esperan recrear las condiciones dentro del sol para crear un gran suministro de energía limpia.

Killian dijo que la configuración magnética cuadrupolo que él, Gorman y Warrens solían embotellar sus plasmas ultrafríos es similar a los diseños que los investigadores de energía de fusión desarrollaron en la década de 1960. El plasma para la fusión debe estar a unos 150 millones de grados Celsius, y contenerlo magnéticamente es un desafío, Bradshaw dijo:en parte debido a preguntas sin respuesta sobre cómo el plasma y los campos magnéticos interactúan e influyen entre sí.

"Uno de los principales problemas es mantener el campo magnético lo suficientemente estable durante el tiempo suficiente para contener realmente la reacción, ", Dijo Bradshaw." Tan pronto como haya una pequeña clase de perturbación en el campo magnético, crece y 'pfft, 'la reacción nuclear está arruinada.

"Para que funcione bien, tienes que mantener las cosas realmente, realmente estable ", dijo." Y allí de nuevo, mirando las cosas de una manera muy bonita, el plasma de laboratorio prístino podría ayudarnos a comprender mejor cómo las partículas interactúan con el campo ".