Os físicos da Rice University descobriram uma maneira de prender o plasma mais frio do mundo em uma garrafa magnética, uma conquista tecnológica que pode avançar na pesquisa em energia limpa, clima espacial e astrofísica.

"Para entender como o vento solar interage com a Terra, ou para gerar energia limpa a partir da fusão nuclear, é preciso entender como o plasma - uma sopa de elétrons e íons - se comporta em um campo magnético, "disse Rice Dean de Ciências Naturais Tom Killian, o autor correspondente de um estudo publicado sobre o trabalho em Cartas de revisão física .

Usando estrôncio resfriado a laser, Killian e os alunos de graduação Grant Gorman e MacKenzie Warrens produziram um plasma cerca de 1 grau acima do zero absoluto, ou aproximadamente -272 graus Celsius, e prendeu-o brevemente com as forças dos ímãs circundantes. É a primeira vez que um plasma ultracold foi confinado magneticamente, e Killian, que estudou plasmas ultracold por mais de duas décadas, disse que abre a porta para estudar plasmas em muitos ambientes.

"Isso fornece um ambiente de teste limpo e controlável para estudar plasmas neutros em locais muito mais complexos, como a atmosfera do sol ou estrelas anãs brancas, "disse Killian, professor de física e astronomia. "É muito útil ter o plasma tão frio e esses sistemas de laboratório muito limpos. Começando com um simples, pequena, bem controlado, um sistema bem conhecido permite que você elimine parte da desordem e realmente isole o fenômeno que deseja ver. "

Isso é importante para o co-autor do estudo Stephen Bradshaw, um astrofísico de Rice que se especializou em estudar fenômenos de plasma no sol.

"Em toda a atmosfera do sol, o (forte) campo magnético tem o efeito de alterar tudo em relação ao que você esperaria sem um campo magnético, mas de maneiras muito sutis e complicadas que podem te confundir se você não tiver um bom entendimento disso, "disse Bradshaw, professor associado de física e astronomia.

Os físicos solares raramente obtêm uma observação clara de características específicas na atmosfera do sol porque parte da atmosfera fica entre a câmera e essas características, e fenômenos não relacionados na atmosfera intermediária obscurecem o que eles gostariam de observar.

"Infelizmente, por causa deste problema de linha de visão, medições observacionais das propriedades do plasma estão associadas a muitas incertezas, "Bradshaw disse." Mas, à medida que melhoramos nossa compreensão dos fenômenos, e crucialmente, usar os resultados do laboratório para testar e calibrar nossos modelos numéricos, então, esperançosamente, podemos reduzir a incerteza nessas medições. "

O plasma é um dos quatro estados fundamentais da matéria, mas ao contrário de sólidos, líquidos e gases, plasmas geralmente não fazem parte da vida cotidiana porque tendem a ocorrer em lugares muito quentes como o sol, um relâmpago ou chama de vela. Como aqueles plasmas quentes, Os plasmas de Killian são sopas de elétrons e íons, mas eles são esfriados por resfriamento a laser, uma técnica desenvolvida há um quarto de século para capturar e retardar a matéria com luz.

Killian disse que a configuração magnética quadrupolar usada para capturar o plasma é uma parte padrão da configuração ultracold que seu laboratório e outros usam para fazer plasmas ultracold. Mas descobrir como prender o plasma com os ímãs foi um problema espinhoso porque o campo magnético destrói o sistema óptico que os físicos usam para observar os plasmas ultracold.

"Nosso diagnóstico é a fluorescência induzida por laser, onde projetamos um feixe de laser sobre os íons em nosso plasma, e se a frequência do feixe estiver correta, os íons espalharão fótons de maneira muito eficaz, "ele disse." Você pode tirar uma foto deles e ver onde os íons estão, e você pode até medir sua velocidade olhando para o deslocamento Doppler, é como usar uma arma de radar para ver a velocidade de movimento de um carro. Mas os campos magnéticos realmente mudam em torno das frequências ressonantes, e temos que separar as mudanças no espectro que vêm do campo magnético das mudanças Doppler que estamos interessados ​​em observar. "

Isso complica significativamente os experimentos, e para tornar as coisas ainda mais complicadas, os campos magnéticos mudam dramaticamente em todo o plasma.

"Portanto, temos que lidar não apenas com um campo magnético, mas um campo magnético que varia no espaço, de uma forma razoavelmente complicada, para entender os dados e descobrir o que está acontecendo no plasma, "Disse Killian." Passamos um ano apenas tentando descobrir o que estávamos vendo quando obtivemos os dados. "

O comportamento do plasma nos experimentos também é tornado mais complexo pelo campo magnético. É exatamente por isso que a técnica de captura pode ser tão útil.

"Há muita complexidade conforme nosso plasma se expande através dessas linhas de campo e começa a sentir as forças e ficar preso, "Disse Killian." Este é um fenômeno muito comum, mas é muito complicado e algo que realmente precisamos entender. "

Um exemplo da natureza é o vento solar, fluxos de plasma de alta energia do sol que causam a aurora boreal, ou luzes do norte. Quando o plasma do vento solar atinge a Terra, ele interage com o campo magnético do nosso planeta, e os detalhes dessas interações ainda não estão claros. Outro exemplo é a pesquisa de energia de fusão, onde físicos e engenheiros esperam recriar as condições dentro do sol para criar um vasto suprimento de energia limpa.

Killian disse que a configuração magnética quadrupolo que ele, Gorman e Warrens usados ​​para engarrafar seus plasmas ultracold é semelhante aos designs que os pesquisadores de energia de fusão desenvolveram na década de 1960. O plasma para a fusão precisa ser de cerca de 150 milhões de graus Celsius, e contê-lo magneticamente é um desafio, Bradshaw disse, em parte por causa de perguntas não respondidas sobre como o plasma e os campos magnéticos interagem e influenciam um ao outro.

"Um dos principais problemas é manter o campo magnético estável o suficiente para realmente conter a reação, "Bradshaw disse." Assim que houver um pequeno tipo de perturbação no campo magnético, ele cresce e 'pfft, 'a reação nuclear está arruinada.

"Para funcionar bem, você tem que manter as coisas realmente, realmente estável, "disse ele." E aí de novo, olhando as coisas de uma maneira muito boa, plasma de laboratório intocado poderia nos ajudar a entender melhor como as partículas interagem com o campo. "