Os físicos da Rice University criaram o primeiro plasma neutro resfriado a laser do mundo, completando uma missão de 20 anos que prepara o cenário para simuladores que recriam estados exóticos da matéria encontrados dentro de Júpiter e estrelas anãs brancas.

Os resultados são detalhados esta semana no jornal Ciência e envolvem novas técnicas de resfriamento a laser de nuvens de plasma em rápida expansão a temperaturas cerca de 50 vezes mais frias do que o espaço profundo.

"Não sabemos a recompensa prática ainda, mas toda vez que os físicos resfriam a laser um novo tipo de coisa, abriu todo um mundo de possibilidades, "disse o cientista-chefe Tom Killian, professor de física e astronomia na Rice. "Ninguém previu que átomos e íons de resfriamento a laser levariam aos relógios mais precisos do mundo ou a avanços na computação quântica. Fazemos isso porque é uma fronteira."

Killian e os alunos de pós-graduação Tom Langin e Grant Gorman usaram 10 lasers de comprimentos de onda variados para criar e resfriar o plasma neutro. Eles começaram vaporizando o metal estrôncio e usando um conjunto de feixes de laser que se cruzam para capturar e resfriar uma nuvem de átomos de estrôncio do tamanho da ponta do dedo de uma criança. Próximo, eles ionizaram o gás ultracold com uma explosão de 10 nanossegundos de um laser pulsado. Ao retirar um elétron de cada átomo, o pulso converteu o gás em um plasma de íons e elétrons.

A energia da explosão ionizante faz com que o plasma recém-formado se expanda rapidamente e se dissipe em menos de um milésimo de segundo. A principal descoberta desta semana é que os íons em expansão podem ser resfriados com outro conjunto de lasers depois que o plasma é criado. Killian, Langin e Gorman descrevem suas técnicas no novo artigo, abrindo caminho para seu laboratório e outros fazerem plasmas ainda mais frios que se comportam de maneira estranha, maneiras inexplicáveis.

O plasma é uma mistura eletricamente condutora de elétrons e íons. É um dos quatro estados fundamentais da matéria; mas ao contrário de sólidos, líquidos e gases, que são familiares na vida diária, plasmas tendem a ocorrer em locais muito quentes, como a superfície do sol ou um raio. Ao estudar plasmas ultracold, A equipe de Killian espera responder a questões fundamentais sobre como a matéria se comporta sob condições extremas de alta densidade e baixa temperatura.

Para fazer seus plasmas, o grupo começa com resfriamento a laser, um método para capturar e reduzir a velocidade de partículas com feixes de laser que se cruzam. Quanto menos energia um átomo ou íon tem, quanto mais frio está, e quanto mais lento ele se move aleatoriamente. O resfriamento a laser foi desenvolvido na década de 1990 para desacelerar os átomos até que eles fiquem quase imóveis, ou apenas alguns milionésimos de grau acima do zero absoluto.

"Se um átomo ou íon está se movendo, e eu tenho um feixe de laser opondo-se ao seu movimento, à medida que espalha fótons do feixe, ele obtém chutes de momento que o tornam lento, - disse Killian. - O truque é garantir que a luz seja sempre espalhada por um laser que se opõe ao movimento da partícula. Se você fizer isso, a partícula desacelera e desacelera e desacelera. "

Durante uma bolsa de pós-doutorado no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Bethesda, Md., em 1999, Killian foi o pioneiro no método de ionização para a criação de plasma neutro a partir de um gás resfriado a laser. Quando ele se juntou ao corpo docente de Rice no ano seguinte, ele começou uma busca por uma maneira de tornar os plasmas ainda mais frios. Uma motivação era alcançar "forte acoplamento, "um fenômeno que ocorre naturalmente em plasmas apenas em lugares exóticos como estrelas anãs brancas e no centro de Júpiter.

"Não podemos estudar plasmas fortemente acoplados em lugares onde ocorrem naturalmente, "Disse Killian." Plasmas neutros de resfriamento a laser nos permitem fazer plasmas fortemente acoplados em um laboratório, para que possamos estudar suas propriedades "

"Em plasmas fortemente acoplados, há mais energia nas interações elétricas entre as partículas do que na energia cinética de seu movimento aleatório, "Disse Killian." Nós nos concentramos principalmente nos íons, que se sentem, e se reorganizam em resposta às posições de seus vizinhos. Isso é o que significa forte acoplamento. "

Como os íons têm cargas elétricas positivas, eles se repelem com a mesma força que faz seu cabelo ficar ereto se for carregado com eletricidade estática.

"Os íons fortemente acoplados não podem estar próximos um do outro, então eles tentam encontrar o equilíbrio, um arranjo onde a repulsão de todos os seus vizinhos é equilibrada, "disse ele." Isso pode levar a fenômenos estranhos, como plasmas líquidos ou mesmo sólidos, que estão muito além da nossa experiência normal. "

Em normal, plasmas fracamente acoplados, essas forças repulsivas têm apenas uma pequena influência no movimento do íon porque são muito superadas pelos efeitos da energia cinética, ou calor.

"As forças repulsivas são normalmente como um sussurro em um show de rock, - disse Killian. - Eles são abafados por todo o ruído cinético do sistema.

No centro de Júpiter ou em uma estrela anã branca, Contudo, a gravidade intensa comprime os íons tão próximos que as forças repulsivas, que ficam muito mais fortes em distâncias mais curtas, vencer. Mesmo que a temperatura esteja bastante alta, íons tornam-se fortemente acoplados.

A equipe de Killian cria plasmas que são ordens de magnitude menores em densidade do que aqueles dentro de planetas ou estrelas mortas, mas, ao diminuir a temperatura, eles aumentam a proporção das energias elétricas para cinéticas. Em temperaturas tão baixas quanto um décimo de Kelvin acima do zero absoluto, A equipe de Killian viu forças repulsivas assumirem o controle.

"O resfriamento a laser é bem desenvolvido em gases de átomos neutros, por exemplo, mas os desafios são muito diferentes nos plasmas, " ele disse.

"Estamos apenas no início da exploração das implicações do forte acoplamento em plasmas ultracold, "Disse Killian." Por exemplo, ele muda a maneira como o calor e os íons se difundem através do plasma. Podemos estudar esses processos agora. Espero que isso melhore nossos modelos de exóticos, plasmas astrofísicos fortemente acoplados, mas tenho certeza de que também faremos descobertas com as quais ainda não sonhamos. É assim que a ciência funciona. "

A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia.