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深度解读

科学家首次实现对超冷等离子体的磁约束

来源:cnBeta.COM2021-03-03 我要评论(0 )   

作为在极端的特定条件下才能形成的电子和离子“浓汤”,针对等离子体的观察是很难做到的。然而莱斯大学的科学家们,已经顺利完成了针对超冷等离子体的磁约束实验。据悉...

作为在极端的特定条件下才能形成的电子和离子“浓汤”,针对等离子体的观察是很难做到的。然而莱斯大学的科学家们,已经顺利完成了针对超冷等离子体的磁约束实验。据悉,这项成就可作为研究核聚变能的跳板,以及帮助我们更好地了解恒星。


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研究生 MacKenzie Warrens 在调节激光冷却实验装置(来自:Rice University)

通常情况下,等离子体的形成需要极高的温度(比如太阳或雷击)。不过莱斯大学的一支科学家团队,一直在探索如何利用激光冷却技术来创建低温、低密度的等离子体。

自 1990 年代问世以来,能够将原子减速至几乎停止的这项技术,已被其用于研究超冷等离子体在实验室条件下的相关行为。

2019 年的时候,研究团队还发表过一篇论文,描述了一种可将温度冷却至太空的 1/50 的激光冷却等离子体方案。

在最新的实验中,科学家们首次达成了当前世界上最冷的等离子体 —— 温度仅比绝对零度(-272℃ / 457.6 ℉)高约 1 ℃ 。

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转瞬即逝的超冷等离子体云(图自:T. Killian / Rice University)

一旦迅速膨胀,这锅超冷的等离子体浓汤,可在数千分之一秒内完全消散。为了实现可观察的目标,研究团队借助了所谓的四极磁体配置。

与实验中的聚变能量系统一样,这套方案可将等离子体限制在其中。基于此,莱斯大学研究团队得以在数百分之一秒的时间内捕获并保持超冷等离子体的位置。

研究通讯作者 Tom Killian 表示:“这套方案为我们提供了一个纯净、可控的实验舞台,能够用于更复杂的天体研究,比如恒星或白矮星大气层中的中性等离子体”。

想要让等离子体保持如何低的温度,极度纯净的实验装置显然不可或缺。从一个简单、小型、控制良好、易于理解的系统开始,研究人员可逐渐消除一些杂物,并对想要观察的现象实现切实的隔离。


这种混乱的一个例子,在聚变反应堆的内部相互作用中就有所体现。在这里,等离子体流被加热到了 1.5 亿摄氏度,然后用磁体稳定以产生电能。

只要让等离子体保持足够长的时间,就能够观察到这样的反应产生,进而帮助人类迈出拥抱更加清洁的聚变能源的重要一步。

研究合著者 Stephen Bradshaw 补充道,目前最大的问题是,只要磁场中出现一小部分扰动,理想状态就很难维持下去。

此外这项研究或许能够对其它科学领域产生影响,比如帮助研究人员深入了解太阳风中的等离子体与地球磁场碰撞时发生的反应、或研究恒星大气中难以被科学仪器 / 相机捕捉到的特殊特征。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《物理快报评论》(Physical Review Letters)上,原标题为《Magnetic Confinement of an Ultracold Neutral Plasma》。

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等离子体冷却

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