Los físicos de la Universidad de Rice han descubierto una forma de atrapar el plasma más frío del mundo en una botella magnética, un logro tecnológico que podría hacer avanzar la investigación sobre energía limpia, clima espacial y astrofísica.
"Para comprender cómo el viento solar interactúa con la Tierra, o para generar energía limpia a partir de la fusión nuclear, uno tiene que comprender cómo se comporta el plasma, una sopa de electrones e iones, en un campo magnético", dijo Rice Dean deCiencias naturales Tom Killian, autor correspondiente de un estudio publicado sobre el trabajo en Cartas de revisión física .
Usando estroncio enfriado por láser, Killian y los estudiantes graduados Grant Gorman y MacKenzie Warrens hicieron un plasma aproximadamente 1 grado por encima del cero absoluto, o aproximadamente -272 grados Celsius, y lo atrapó brevemente con fuerzas de imanes circundantes. Es la primera vez que unEl plasma ultrafrío se ha confinado magnéticamente, y Killian, que ha estudiado los plasmas ultrafríos durante más de dos décadas, dijo que abre la puerta para estudiar los plasmas en muchos entornos.
"Esto proporciona un banco de pruebas limpio y controlable para estudiar plasmas neutros en ubicaciones mucho más complejas, como la atmósfera del sol o las estrellas enanas blancas", dijo Killian, profesor de física y astronomía. "Es realmente útil tener el plasma tan fríoy tener estos sistemas de laboratorio muy limpios. Comenzar con un sistema simple, pequeño, bien controlado y bien entendido le permite eliminar parte del desorden y realmente aislar el fenómeno que desea ver ".
Eso es importante para el coautor del estudio Stephen Bradshaw, un astrofísico de Rice que se especializa en estudiar los fenómenos del plasma en el sol.
"A lo largo de la atmósfera del sol, el campo magnético fuerte tiene el efecto de alterar todo en relación con lo que cabría esperar sin un campo magnético, pero de formas muy sutiles y complicadas que realmente pueden hacer tropezarlo si no tieneuna muy buena comprensión ", dijo Bradshaw, profesor asociado de física y astronomía.
Los físicos solares rara vez obtienen una observación clara de características específicas en la atmósfera del sol porque parte de la atmósfera se encuentra entre la cámara y esas características, y los fenómenos no relacionados en la atmósfera intermedia oscurecen lo que les gustaría observar.
"Desafortunadamente, debido a este problema de la línea de visión, las mediciones observacionales de las propiedades del plasma están asociadas con mucha incertidumbre", dijo Bradshaw. "Pero a medida que mejoramos nuestra comprensión de los fenómenos, y de manera crucial, usamos el laboratorioresultados para probar y calibrar nuestros modelos numéricos, entonces, con suerte, podemos reducir la incertidumbre en estas mediciones ".
El plasma es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia, pero a diferencia de los sólidos, líquidos y gases, los plasmas generalmente no son parte de la vida cotidiana porque tienden a ocurrir en lugares muy calientes como el sol, un rayo o la llama de una vela. Comoesos plasmas calientes, los plasmas de Killian son sopas de electrones e iones, pero se enfrían mediante enfriamiento con láser, una técnica desarrollada hace un cuarto de siglo para atrapar y ralentizar la materia con la luz.
Killian dijo que la configuración magnética cuadrupolo que se usó para atrapar el plasma es una parte estándar de la configuración ultrafrío que su laboratorio y otros usan para hacer plasmas ultrafríos. Pero descubrir cómo atrapar el plasma con los imanes fue un problema espinoso porque elEl campo magnético causa estragos en el sistema óptico que utilizan los físicos para observar los plasmas ultrafríos.
"Nuestro diagnóstico es la fluorescencia inducida por láser, en la que proyectamos un rayo láser sobre los iones de nuestro plasma, y si la frecuencia del rayo es la correcta, los iones dispersarán los fotones de manera muy eficaz", dijo.tome una foto de ellos y vea dónde están los iones, e incluso puede medir su velocidad observando el cambio Doppler, al igual que usar una pistola de radar para ver qué tan rápido se mueve un automóvil. Pero los campos magnéticos realmente cambian alrededor del resonantefrecuencias, y tenemos que desenredar los cambios en el espectro que provienen del campo magnético de los cambios Doppler que estamos interesados en observar ".
Eso complica significativamente los experimentos y, para complicar aún más las cosas, los campos magnéticos cambian drásticamente en todo el plasma.
"Así que tenemos que lidiar no solo con un campo magnético, sino con un campo magnético que varía en el espacio, de una manera razonablemente complicada, para comprender los datos y descubrir qué está sucediendo en el plasma", dijo Killian.Pasamos un año tratando de averiguar qué estábamos viendo una vez que obtuvimos los datos ".
El comportamiento del plasma en los experimentos también se vuelve más complejo por el campo magnético. Por eso, precisamente, la técnica de captura podría ser tan útil.
"Hay mucha complejidad a medida que nuestro plasma se expande a través de estas líneas de campo y comienza a sentir las fuerzas y quedar atrapado", dijo Killian. "Este es un fenómeno muy común, pero es muy complicado y algo que realmente necesitamos entender.. "
Un ejemplo de la naturaleza es el viento solar, corrientes de plasma de alta energía del sol que causan la aurora boreal o auroras boreales. Cuando el plasma del viento solar golpea la Tierra, interactúa con el campo magnético de nuestro planeta y los detallesde esas interacciones aún no están claras. Otro ejemplo es la investigación de la energía de fusión, donde los físicos e ingenieros esperan recrear las condiciones dentro del sol para crear un gran suministro de energía limpia.
Killian dijo que la configuración magnética cuadrupolo que él, Gorman y Warrens usaron para embotellar sus plasmas ultrafríos es similar a los diseños que los investigadores de energía de fusión desarrollaron en la década de 1960. El plasma para la fusión debe estar a unos 150 millones de grados Celsius y contenerlo magnéticamente.es un desafío, dijo Bradshaw, en parte debido a preguntas sin respuesta sobre cómo el plasma y los campos magnéticos interactúan e influyen entre sí.
"Uno de los principales problemas es mantener el campo magnético lo suficientemente estable durante el tiempo suficiente para contener la reacción", dijo Bradshaw. "Tan pronto como hay un pequeño tipo de perturbación en el campo magnético, crece y 'pfft',la reacción nuclear está arruinada.
"Para que funcione bien, tienes que mantener las cosas realmente, realmente estables", dijo. "Y nuevamente, mirar las cosas en un plasma de laboratorio realmente agradable y prístino podría ayudarnos a comprender mejor cómo las partículas interactúan con el campo. "
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea FA9550-17-1-0391 y el Programa de Becas de Investigación para Graduados de la Fundación Nacional de Ciencias 1842494.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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