装瓶世界最寒冷的等离子体以解锁融合力的秘密

赖斯大学研究生在大米超克原子和等离子体实验室中工作的Grant Gorman。照片由杰夫菲特洛/赖斯大学

激光冷却的等离子体瓶可以回答有关太阳，融合功率的问题。

米饭大学物理学家发现了一种方法来捕获世界上最寒冷的等离子体在磁瓶中，这是一种技术成就，可以推进清洁能源，空间天气和天体物理学。

“了解太阳风如何与地球相互作用，或者从核融合产生清洁能源，必须了解血浆的汤和离子的表现如何，”自然科学汤姆杀戮的米饭迪恩说，关于物理审查信中的工作的发表研究的相应作者。

使用激光冷却的锶，基石和研究生给予Gorman和Mackenzie Warrens在绝对零的绝对零点或大约-272摄氏度上施加了一个等离子体，并用来自周围磁铁的力短暂地捕获。这是第一次超级等离子体已经磁心狭窄，而杀人杀人队是二十多年的超级等离子体的杀戮，表示，它为在许多环境中研究等离子体开辟门。

“这提供了一种清洁和可控的测试平台，用于研究中性等离子体，在更复杂的位置，如太阳的大气或白矮星，”物理学和天文学教授的基兰斯说。“让血浆如此寒冷并拥有这些非常清洁的实验室系统真的有助于。从简单，小巧良好的控制，良好的系统开始，让您剥离一些杂乱，真正隔离您要查看的现象。“

赖斯大学研究生Mackenzie Warrens在大米超卡原子和等离子体实验室中调整激光冷却试验。

这对研究共同作者斯蒂芬布拉德肖是重要的，他专门研究在阳光下的血浆现象的天体物理学家。

“在整个太阳的雾圈，（强）磁场具有改变与您所期望的内容改变的效果，而是非常微妙和复杂的方式，如果您没有真正的话，可以真正绊倒你良好的理解，“物理学和天文学副教授Bradshaw说。

太阳能主义者很少明确观察太阳氛围中的特定特征，因为部分气氛位于相机和这些功能之间，并且中间气氛中的无关现象掩盖了他们想要观察的内容。

“不幸的是，由于这种视线问题，血浆属性的观察测量与相当多的不确定性相关，”布拉德肖说。“但随着我们改善对该现象的理解，并且令人遗憾的是，使用实验室结果来测试和校准我们的数值模型，然后希望我们可以降低这些测量中的不确定性。”

激光诱导的荧光产生的图像显示在由四极磁体限制时，如何快速膨胀的超级等离子体云（黄色和金）的行为行为。Ultracold等离子体在腔室（左）的中心，并迅速扩展，通常在几千秒内消散。使用强磁场（粉红色），米饭大学物理学家陷入困境，持有超级等离子体几百分之一秒。通过研究等离子体如何与这种实验中的强磁场相互作用，研究人员希望回答与清洁融合能源，太阳能物理，太空天气和更多相关的研究问题。

等离子体是物质的四种基本状态之一，但与固体，液体和气体不同，等离子体通常不是日常生活的一部分，因为它们往往会在像太阳，闪电螺栓或蜡烛火焰这样的热门场所发生。像那些热的等离子体一样，杀死的等离子体是电子和离子的汤，但它们通过激光冷却使得一项发达四分之一世纪前的技术进行了寒冷，以轻盈和慢慢地陷阱。

杀戮地说，用于捕获等离子体的四极磁性设置是他的实验室和其他用于制造超级等离子体的Ultracold设置的标准部分。但了解如何用磁铁捕获等离子体是一个棘手的问题，因为磁场与物理学家用于看超级等离子体的光学系统造成严重破坏。

“我们的诊断是激光诱导的荧光，在那里我们将激光束闪耀到我们的等离子体中的离子上，如果梁的频率恰到好处，则离子将非常有效地散射光子，”他说。“你可以拍摄它们的照片，看看离子在哪里，你甚至可以通过观察多普勒班次来测量它们的速度，就像使用雷达枪看车辆的速度有多快。但磁场实际上围绕着谐振频率偏移，我们必须解开来自我们对观察的多普勒班次来自磁场的频谱中的频谱。“

使实验显着复杂化，并使磁场更加复杂，磁场在整个等离子体中发生急剧变化。

赖斯大学物理学家（从左）Grant Gorman，Tom Killian和Mackenzie Warrens发现了如何将世界上最寒冷的血浆渗透到磁瓶中，这是一种可以推进清洁能源，太空天气和太阳能物理学研究的技术成果。

“所以我们必须不仅处理不仅仅是一种磁场，而是一种在太空中变化的磁场，以合理的方式，以便了解数据和P出来在等离子体中发生的事情，”杀戮说。“我们花了一年只是试图在得到数据后看到我们看到的东西。”

实验中的等离子体行为也由磁场制成更复杂。这恰恰是诱捕技术可能如此有用。

“随着我们的等离子体横跨这些场线扩大并开始感受力并被困，”杀戮地说：“随着这些领域的扩张，有很多复杂性。”“这是一个非常普遍的现象，但这是非常复杂的，我们真正需要理解的东西。”

自然界的一个例子是太阳风，来自太阳的高能等离子体流，导致极光博尔梅尼斯或北极光。当来自太阳风中的等离子体撞击地球时，它与我们的星球的磁场相互作用，并且这些相互作用的细节仍然不清楚。另一个例子是融合能源研究，物理学家和工程师希望在阳光下重建阳光内的条件，以营造出广阔的清洁能源。

赖斯大学等离子物理学家Stephen Bradshaw学习太阳能耀斑，在阳光的氛围中加热，太阳风和其他太阳能物理现象。

杀戮地说，Quadrupole磁性设置，他，Gorman和Warrens用于瓶子的超级等离子体类似于融合能源研究人员在20世纪60年代开发的设计。Bradshaw表示，融合等离子体需要约1.5亿摄氏度，并且磁性含有磁力含量是一个挑战，部分原因是关于等离子体和磁场如何相互作用并影响彼此的未解决问题。

“其中一个主要问题是保持磁场足够稳定，足够长，以实际上含有反应，”布拉德肖说。“一旦磁场中存在少量扰动，它会生长和”PFFT“，核反应被破坏。

“为了好好运作，你必须保持真正稳定的东西，”他说。“和在那里，在一个非常好的地方看着事情，原始的实验室等离子体可以帮助我们更好地了解粒子如何与该领域相互作用。”

参考：“超级中性等离子体的磁共混凝能” Gorman，M.k.沃朗斯，S.J. Bradshaw和T.C. 2021年2月25日，物理审查信件.DOI：
10.1103 / physrevlett.126.085002

该研究得到了科学研究空军办公室和国家科学基金会研究生研究所综合计划的支持。