Bắn phá laser giúp tạo ra plasma nguội nhất từ trước đến nay

Các nhà vật lý ở Đại học Rice đã báo cáo về trường hợp làm nguội plasma trung tính bằng laser đầu tiên, bước đột phá có thể giúp mô phỏng các trạng thái kỳ lạ của vật chất xảy ra ở lõi Sao Mộc hoặc sao lùn trắng. Nguồn: Brandon Martin/Đại học Rice.

Nhóm nghiên cứu từng tạo ra các plasma lạnh nhất vũ trụ, vừa tìm được cách khiến chúng hạ nhiệt tiếp - bắn phá bằng chùm laser. Các nhà khoa học đã hạ được nhiệt độ plasma xuống khoảng 50 phần nghìn độ trên độ không tuyệt đối (-273,15°C), lạnh hơn khoảng 50 lần so với plasma trong không gian vũ trụ.

Loại plasma lạnh này có thể tiết lộ về cách mà các plasma tương tự hoạt động ở trung tâm các sao lùn trắng và sâu trong lõi của những hành tinh khí, chẳng hạn như sao Mộc - láng giềng vũ trụ của chúng ta; theo báo cáo trong nghiên cứu mới.

Plasma là một loại khí, nhưng sự khác biệt của nó đủ để được công nhận là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất (bên cạnh trạng thái khí, lỏng và rắn). Trong plasma, một số lượng đáng kể các electron đã được tách ra khỏi nguyên tử của chúng, tạo ra trạng thái mà các electron tự do chuyển động quanh các ion (bất kể điện tích dương hay âm) hoặc các nguyên tử.

Nhiệt độ plasma tự nhiên thường rất cao; ví dụ, plasma trênmặt trời nóng đến 18.800 triệu độ F (khoảng 6.000 độ C). Bằng cách khiếnplasma nguội đi, các nhà khoa học có thể quan sát chi tiết hơn để nghiên cứu sâu về trạng thái của nó trong các hoàn cảnh khắc nghiệt, giống như những hành tinh khí khổng lồ - láng giềng của trái đất.

Nguội hơn

Vậy vì sao chùm laser có thể giúp hạ nhiệt độ plasma xuống?

"Việclàm mát bằng laser là nhờ động lượng của ánh sáng", Thomas Killian, tác giả nghiên cứu và giáo sư vật lý học, thiên văn học tại Đại học Rice, Texas nói. "Nếu tôi có một ion trong plasma và dùng chùm laser tán xạ ánh sáng khỏi ion đó, thì mỗi khi ion này tán xạ một photon, bản thân nó sẽ bị đẩy theo hướng của chùmlaser," Killian cho biết.

Điều này có nghĩa là nếu một chùm laser chống lại chuyển động tự nhiên của ion, thì mỗikhi ion tán xạ ánh sáng, nó sẽ bị mất một số động lượng, và chậm dần đi. "Nógiống như leo dốc vậy" ông nói.

Trong các thí nghiệm của mình, Killian và nhóm đồng nghiệp đã tạo ra một lượng nhỏ plasma trung tính - tức là plasma với số lượng điện tích dương và âm gần bằng nhau - bằngcách làm kim loại strontium bay hơi và sau đó ion hóa đám mây khí này.

Plasma này tồn tại trong chưa đầy 1 phần trăm triệu giây, vẫn đủ để thí nghiệm trước khi nó tan biến. Trước khi bắn phá laser, họ đã làm nguội sơ bộ plasma để khiến các ion chậm đi. Cuối cùng, sản phẩm thu được lạnh hơn khoảngbốn lần so với bất kỳ loại plasma nào trước đây, báo cáo nghiên cứu khẳng định.

Thí nghiệm sử dụng 10 chùm laser có bước sóng khác nhau để làm mát các ion. Nguồn: Brandon Martin / Đại học Rice.

Mặc dù các thí nghiệm chỉ diễn ra trong một phần rất nhỏ của giây, việc lắp ráp các thiết bị cần thiết để hoàn tất quá trình làm lạnh này mất khoảng 20 năm - và có hàng ngàn thí nghiệm đã đượcthực hiện, Killian nói.

"Khi chúng tôi tạo ra một plasma, nó chỉ tồn tại trong vài phần trăm triệu giây". Quá trình "tạo raplasma, làm lạnh bằng laser , quan sát những gì diễn ra chỉ trong chưa đầy một phần nghìn giây" ông cho biết. "Phải mất rất nhiều ngày thu thập dữ liệu đủ để kết luận: thì ra nó vận hành như thế".

Có thể lạnh hơn nữa?

Những phát hiện của nghiên cứu có thể giúp giải đáp vấn đề: plasma siêu lạnh tương tác với năng lượng và vật chất như thế nào? Nhờ đó, các nhà khoa học có thể xây dựng những mô hình sao lùn trắng và các hành tinh khí khổng lồ gần giống thực tế, do plasma siêu lạnh trong phòng thí nghiệm tương tự với loại plasma ở lõi của chúng.

Việc tạo ra loại plasma lạnh hơn nữa cũng nằm trong một tương lai không xa, điều nàycó thể làm thay đổi sự hiểu biết của con người về cách thức vật chất bí ẩn này hoạt động, Killian cho biết. "Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ nó xuống, chúng ta có thể tiến gần đến loại plasma rắn - có độ đậm đặc gấp 10 bất kỳ vật chất dạng rắn nào con người từng tạo ra. Điều đó sẽ rất, rất thú vị," ông nói thêm.

Những phát hiện này được công bố trực tuyến vào thứ Năm tuần trước trên tạp chí Science .