科学家利用激光冷却造出零下273℃中性等离子体

科技日报 2019-01-09

据美国《新闻周刊》网站近日报道,科学家利用激光冷却,创造出温度达到零下273℃的中性等离子体,其比太空深处温度还要低。这一成果发表于《科学》杂志,显示了极端环境下(比如白矮星和木星中央)等离子体的新的可能性。

一般认为,激光可用于加热,但其实也可用于冷却物理系统。在实验中,英国莱斯大学的汤姆·基利安和同事使用10台不同波长的激光器来冷却中性等离子体。等离子体是在固体、液体和气体之后,物质的第四种基本状态,它通常在极热的地方(比如太阳内)产生。

研究人员先用一组激光器蒸发锶金属,这些激光器捕获并冷却了一组原子。然后,他们用第二组激光电离这些超冷气体,激光脉冲将这些气体转换成等离子体,这些等离子体迅速膨胀然后消散。

基利安解释说:“如果一个粒子(原子或离子)正在移动,我用一束激光来抵制它的运动,当该粒子从激光束中散射出光子时,就获得了动量来减慢速度。诀窍在于确保光子始终从与粒子运动相反的激光中散射出来。”

1999年,基利安在美国国家标准与技术研究所进行博士后研究,开创了从激光冷却的气体中创造中性等离子体的电离方法。此后,他一直在寻求让等离子体更冷的方法,最新研究让他20年的追寻成为现实。目前,他们正努力制造更冷的等离子体。

基利安说:“我们将尝试开发新的温度探头来测量更冷的温度。如果能在不让密度变得太低的情况下,将温度降到足够低,该系统将形成结晶等离子体——维格纳晶体,据信白矮星中心的离子以这种状态存在。”

基利安表示,当科学家研究出如何冷却原子气体时,就打开了“超冷世界”的大门,这使他们能将原子气体冷却到比绝对零度(零下273.15)高出百万分之一摄氏度左右,“在此处,量子力学开始发挥作用”。通过研究超冷等离子体,有望回答有关物质在高密度和低温的极端条件下如何表现的基本问题。

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