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6 de enero de 2019

Los científicos crean el primer plasma neutro refrigerado por láser del mundo

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

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

"Todavía no conocemos el beneficio práctico, pero cada vez que los físicos enfrían con láser un nuevo tipo de cosas, se abre todo un mundo de posibilidades", dijo el científico líder Tom Killian, profesor de física y astronomía en Rice.

“Nadie predijo que los iones y átomos de enfriamiento por láser conducirían a los relojes o avances más precisos del mundo en computación cuántica. Lo hacemos porque es una frontera ”.

Killian y los estudiantes graduados Tom Langin y Grant Gorman utilizaron 10 láseres de diferentes longitudes de onda para crear y enfriar el plasma neutro.

Comenzaron vaporizando el metal de estroncio y utilizando un conjunto de rayos láser que se cruzan para atrapar y enfriar una bocanada de átomos de estroncio del tamaño de la punta de un niño.

A continuación, ionizaron el gas ultrafrío con una explosión de 10 nanosegundos de un láser pulsado. Al eliminar 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, allanando el camino para que su laboratorio y otros creen plasmas aún más fríos que se comportan de formas extrañas e inexplicables.

El plasma es una mezcla eléctricamente conductora 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 el enfriamiento por láser, un método para atrapar y ralentizar partículas con rayos láser que se cruzan. Cuanta menos energía tiene un átomo o un ión, más frío está, y más lento se mueve al azar.

El enfriamiento con láser se desarrolló en la década de 1990 para reducir la velocidad de los átomos hasta que queden casi inmóviles, o solo unas millonésimas de grado por encima del cero absoluto.

"Si un átomo o un ión se está moviendo, y tengo un rayo láser que se opone a su movimiento, a medida que dispersa los fotones del rayo, recibe un impulso que lo frena", dijo Killian.

“El truco es asegurarse de que la luz siempre esté dispersada por un láser que se opone al movimiento de la partícula. Si haces eso, la partícula disminuye y disminuye y disminuye la velocidad ".

Durante una beca postdoctoral en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Bethesda, Md., 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 el año siguiente, comenzó una búsqueda de una manera de hacer que los plasmas sean aún más fríos. Una de las motivaciones fue lograr un "acoplamiento fuerte", un fenómeno que ocurre naturalmente en los plasmas solo 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 los 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 unos a otros, y nos reorganizamos en respuesta a las posiciones de sus vecinos. Eso es lo que significa un fuerte acoplamiento ".

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

"Los iones fuertemente acoplados no pueden estar cerca uno del otro, por lo que tratan de encontrar el equilibrio, un arreglo donde la repulsión de todos sus vecinos es equilibrada", dijo. "Esto puede llevar a fenómenos extraños como los plasmas líquidos o incluso sólidos, que están muy lejos de nuestra experiencia normal".

En los plasmas normales, débilmente acoplados, estas fuerzas de repulsión solo tienen una pequeña influencia en el movimiento de los iones, ya que son superados por los efectos de la energía cinética o el 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".

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

El equipo de Killian crea plasmas con una densidad de órdenes de magnitud más alta que los que se encuentran dentro de los planetas o las estrellas muertas, pero al disminuir la temperatura aumentan la proporción de energías eléctricas a cinéticas.

A temperaturas tan bajas como una décima parte de un Kelvin por encima del cero absoluto, el equipo de Killian ha visto cómo las fuerzas repulsivas toman el control.

"El enfriamiento por láser está bien desarrollado en gases de átomos neutros, por ejemplo, pero los desafíos son muy diferentes en los plasmas", 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 plasmas astrofísicos exóticos y fuertemente acoplados, pero estoy seguro de que también haremos descubrimientos que aún no hemos 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.

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