Физики превратили холодные атомы кальция в долгоживущую ультрахолодную плазму

Ученые создали долгоживущую ультрахолодную плазму, возбуждая лазером охлажденные до -273°С атомы кальция. Полученный таким образом новый физический объект будет полезен при разработке ионных микроскопов с высоким разрешением, в которых плазма служит источником заряженных частиц, необходимых для формирования изображения. Также при помощи стационарной ультрахолодной плазмы можно будет создать квантовый симулятор для моделирования горячей плазмы в термоядерных реакторах и астрофизических объектах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Ультрахолодная плазма — это ионизированный газ, который имеет очень низкую температуру — всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Ее можно использовать в качестве универсальной и экспериментально доступной модельной системы для изучения плазмы различной природы, в том числе плазмы термоядерных реакторов и горячей плазмы в астрофизических процессах. Кроме того, ультрахолодная плазма может служить источником ионов в ионных микроскопах, в которых для формирования изображения необходимо, чтобы через исследуемый объект прошел пучок заряженных частиц. Главная сложность, с которой сталкиваются ученые при создании ультрахолодной плазмы, состоит в том, что она имеет ограниченное время жизни — около тысячных долей секунды. По истечении этого времени заряженные частицы газа разлетаются, и плазма исчезает. Ученые пытаются решить эту проблему, разрабатывая новые способы создания плазмы для придания ей стабильности.

Научная группа из Объединенного института высоких температур РАН (Москва) создала стабильную ультрахолодную плазму, которая может существовать бесконечно. Авторы поместили группу атомов кальция в магнитооптическую ловушку — устройство для охлаждения и удержания частиц при помощи эффекта лазерного охлаждения. В результате исследователи получили облако атомов, на которое непрерывно подавали лазерное излучение. Под действием лазера от атомов кальция отрывали внешние электроны, в результате чего образовались ионы и электроны — заряженные частицы, которые сформировали плазму.

Теоретические расчеты и эксперимент показали, что в плазме все время эксперимента сохранялась стабильно низкая температура — порядка -271°С, — а также постоянная концентрация ионов. Благодаря такой низкой температуре заряженные частицы оставались практически неподвижны и сильно взаимодействовали между собой. Эти свойства стационарной ультрахолодной плазмы позволяют проводить эксперименты с высокой точностью, а также моделировать горячую плазму.

«Созданная нами ультрахолодная плазма впервые имеет бесконечный срок жизни за счет непрерывного захвата охлажденных атомов и их ионизации лазером. Ранее ученые использовали ионизацию холодных атомов коротким лазерным импульсом — из-за этого плазма существовала непродолжительное время. У нас же создается непрерывный поток новых холодных ионов и электронов, что позволяет наблюдать стационарную ультрахолодную плазму», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Борис Борисович Зеленер, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Лазерного охлаждения и ультрахолодной плазмы Объединенного института высоких температур РАН.

В дальнейшем авторы планируют исследовать, как различная сила магнитного поля и интенсивность лазерного излучения будут влиять на свойства плазмы, в частности, ее температуру, плотность и возможную пространственную структуру.