科學家首次實現對超冷等離子體的磁約束

作為在極端的特定條件下才能形成的電子和離子「濃湯」,針對等離子體的觀察是很難做到的。然而萊斯大學的科學家們,已經順利完成了針對超冷等離子體的磁約束實驗。據悉,這項成就可作為研究核聚變能的跳板,以及幫助我們更好地了解恆星。

科學家首次實現對超冷等離子體的磁約束

研究生 MacKenzie Warrens 在調節激光冷卻實驗裝置(來自:Rice University

通常情況下,等離子體的形成需要極高的溫度(比如太陽或雷擊)。不過萊斯大學的一支科學家團隊,一直在探索如何利用激光冷卻技術來創建低溫、低密度的等離子體。

自 1990 年代問世以來,能夠將原子減速至幾乎停止的這項技術,已被其用於研究超冷等離子體在實驗室條件下的相關行為。

2019 年的時候,研究團隊還發表過一篇論文,描述了一種可將溫度冷卻至太空的 1/50 的激光冷卻等離子體方案。

在最新的實驗中,科學家們首次達成了當前世界上最冷的等離子體 —— 溫度僅比絕對零度(-272℃ / 457.6 ℉)高約 1 ℃ 。

科學家首次實現對超冷等離子體的磁約束

轉瞬即逝的超冷等離子體雲(圖自:T. Killian / Rice University)

一旦迅速膨脹,這鍋超冷的等離子體濃湯,可在數千分之一秒內完全消散。為了實現可觀察的目標,研究團隊藉助了所謂的四極磁體配置。

與實驗中的聚變能量系統一樣,這套方案可將等離子體限制在其中。基於此,萊斯大學研究團隊得以在數百分之一秒的時間內捕獲並保持超冷等離子體的位置。

研究通訊作者 Tom Killian 表示:「這套方案為我們提供了一個純淨、可控的實驗舞台,能夠用於更復雜的天體研究,比如恆星或白矮星大氣層中的中性等離子體」。

想要讓等離子體保持如何低的溫度,極度純淨的實驗裝置顯然不可或缺。從一個簡單、小型、控制良好、易於理解的系統開始,研究人員可逐漸消除一些雜物,並對想要觀察的現象實現切實的隔離。

Bottling the world’s coldest plasma(via

這種混亂的一個例子,在聚變反應堆的內部相互作用中就有所體現。在這里,等離子體流被加熱到了 1.5 億攝氏度,然後用磁體穩定以產生電能。

只要讓等離子體保持足夠長的時間,就能夠觀察到這樣的反應產生,進而幫助人類邁出擁抱更加清潔的聚變能源的重要一步。

研究合著者 Stephen Bradshaw 補充道,目前最大的問題是,只要磁場中出現一小部分擾動,理想狀態就很難維持下去。

此外這項研究或許能夠對其它科學領域產生影響,比如幫助研究人員深入了解太陽風中的等離子體與地球磁場碰撞時發生的反應、或研究恆星大氣中難以被科學儀器 / 相機捕捉到的特殊特徵。

有關這項研究的詳情,已經發表在近日出版的《物理快報評論》(Physical Review Letters)上,原標題為《Magnetic Confinement of an Ultracold Neutral Plasma》。

來源:cnBeta