“我們還不知道實(shí)際的回報(bào)，但每當(dāng)物理學(xué)家激光冷卻一種新的東西時(shí)，它就開啟了一個(gè)全世界的可能性，”萊斯物理學(xué)和天文學(xué)教授湯姆基利安說。“沒有人預(yù)測(cè)激光冷卻原子和離子會(huì)導(dǎo)致世界上最準(zhǔn)確的時(shí)鐘或量子計(jì)算的突破。我們這樣做是因?yàn)樗且粋€(gè)前沿。”

Killian和研究生Tom Langin和Grant Gorman使用10種不同波長(zhǎng)的激光來制造和冷卻中性等離子體。他們開始通過蒸發(fā)鍶金屬并使用一組相交的激光束來捕獲和冷卻大約兒童指尖大小的鍶原子。接下來，他們用脈沖激光的10納秒爆炸電離超冷氣體。通過從每個(gè)原子剝離一個(gè)電子，脈沖將氣體轉(zhuǎn)換成離子和電子的等離子體。

來自電離爆炸的能量使新形成的等離子體迅速膨脹并在不到千分之一秒的時(shí)間內(nèi)消散。本周的主要發(fā)現(xiàn)是，在產(chǎn)生等離子體后，可以用另一組激光冷卻膨脹的離子。Killian，Langin和Gorman在新論文中描述了他們的技術(shù)，為他們的實(shí)驗(yàn)室和其他人掃清了更冷的等離子體，這種等離子體的行為方式奇怪，無法解釋。

等離子體是電子和離子的導(dǎo)電混合物。它是物質(zhì)的四個(gè)基本狀態(tài)之一;但與日常生活中熟悉的固體，液體和氣體不同，等離子體往往發(fā)生在非常炎熱的地方，如太陽表面或閃電。通過研究超級(jí)等離子體，Killian的團(tuán)隊(duì)希望回答關(guān)于在高密度和低溫的極端條件下物質(zhì)如何表現(xiàn)的基本問題。

為了制造等離子體，該小組從激光冷卻開始，這是一種用交叉激光束捕獲和減慢粒子的方法。原子或離子的能量越少，它越冷，隨機(jī)移動(dòng)的速度就越慢。激光冷卻是在20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的，它可以使原子減速直到它們幾乎不動(dòng)，或者只是絕對(duì)零度的百萬分之幾。

“如果一個(gè)原子或離子正在移動(dòng)，并且我有一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)相反的激光束，因?yàn)樗鼤?huì)從光束中散射出光子，它就會(huì)有動(dòng)力來減慢它的速度，”Killian說道。“訣竅在于確保光始終從與粒子運(yùn)動(dòng)相反的激光中散射。如果這樣做，粒子會(huì)減慢，減慢和減慢。”

1999年，Killian在馬里蘭州貝塞斯達(dá)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所進(jìn)行博士后研究，開創(chuàng)了用激光冷卻氣體制造中性等離子體的電離方法。第二年，當(dāng)他加入賴斯的教職員工時(shí)，他開始尋求一種讓等離子體更冷的方法。一個(gè)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)耦合”，這種現(xiàn)象在等離子體中自然發(fā)生，僅存在于白矮星和木星中心等異國(guó)情調(diào)的地方。

“我們不能在自然發(fā)生的地方研究強(qiáng)耦合等離子體，”Killian說。“激光冷卻中性等離子體允許我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中制作強(qiáng)耦合等離子體，以便我們可以研究它們的特性”

“在強(qiáng)耦合等離子體中，粒子之間的電相互作用能量比其隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能更多，”Killian說。“我們主要專注于相互感受的離子，并根據(jù)鄰居的位置重新排列。這就是強(qiáng)耦合意味著什么。”

因?yàn)殡x子具有正電荷，所以它們通過相同的力相互排斥，如果它被靜電充電，使你的頭發(fā)直立。

“強(qiáng)耦合離子不能彼此靠近，所以他們?cè)噲D找到平衡，這是一種平衡所有鄰居的排斥力的安排，”他說。“這可能導(dǎo)致奇怪的現(xiàn)象，如液體甚至固體等離子體，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的正常經(jīng)驗(yàn)。”

在正常的弱耦合等離子體中，這些排斥力對(duì)離子運(yùn)動(dòng)的影響很小，因?yàn)樗鼈冞h(yuǎn)遠(yuǎn)超過動(dòng)能或熱量的影響。

“傾銷力量通常就像搖滾音樂會(huì)上的低語，”基利安說。“它們被系統(tǒng)中的所有動(dòng)能噪聲淹沒了。”

然而，在木星中心或白矮星中，強(qiáng)烈的重力將離子緊密地?cái)D在一起，以至于在較短距離內(nèi)變得更強(qiáng)壯的排斥力會(huì)勝出。即使溫度很高，離子也會(huì)強(qiáng)烈耦合。

Killian的團(tuán)隊(duì)制造的等離子體的密度比行星或死星內(nèi)的等離子體低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但通過降低溫度，它們可以提高電動(dòng)能與動(dòng)能的比率。在低于絕對(duì)零度的十分之一開爾文的溫度下，基利安的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)看到了排斥力量接管。

“例如，激光冷卻在中性原子氣體中得到了很好的發(fā)展，但等離子體的挑戰(zhàn)卻非常不同，”他說。

“我們剛剛開始探索超級(jí)等離子體中強(qiáng)耦合的影響，”Killian說。“例如，它改變了熱量和離子通過等離子體擴(kuò)散的方式。我們現(xiàn)在可以研究這些過程。我希望這將改進(jìn)我們的奇異，強(qiáng)耦合天體物理等離子體模型，但我相信我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)我們還沒有想到。這就是科學(xué)的運(yùn)作方式。“

該研究得到了空軍科學(xué)研究辦公室和能源部科學(xué)辦公室的支持。

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