Ultra soğuk nötr plazmaların sınırlarını zorlamak

Colorado State Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, lazer soğutma teknikleri ve güçlü manyetik alanların bir kombinasyonunu kullanarak ilk kez, bir derece Kelvin dahilinde ölçülen sıcaklıklara soğutulmuş elektronların bulunduğu ultra soğuk nötr bir plazma oluşturdular.

Vurgulanan çalışma Plazma Fiziğibu ve diğer aşırı koşullar altında maddenin bu ortak durumuna ilişkin teoriyi daha iyi doğrulamak ve modelleri geliştirmek için bir yaklaşımın ana hatlarını çiziyor.

Bulgular, pek çok potansiyel uygulamanın yanı sıra, füzyon enerji sistemlerinin gelecekteki gelişimi ve beyaz cüce yıldızlar gibi astrofiziksel sistemlerin incelenmesi için de faydalı olacak.

Plazma nasıl soğutuldu?

Plazma maddenin dördüncü halidir ve görünür evrenin %99’unu oluşturur. Bir gazın atomları iyonize olacak şekilde aşırı enerji yüklendiğinde oluşur, bu da elektronların atomlarından sıyrıldığı anlamına gelir. Sonuç, serbest elektronların, pozitif yüklü iyonların ve birçok durumda serbestçe hareket eden ve bir kase sıcak çorbadaki malzemeler gibi birbirleriyle etkileşime giren bazı nötr atomların bir karışımıdır.

Araştırmacılar elektriğe, lazerlere veya ısıya enerji ekleyerek plazma oluşturabiliyorlar. Plazma ayrıca aşırı ısı ve basıncın elektronları uzaklaştırabildiği yıldızlarda da doğal olarak oluşur.

Buna karşılık, CSU çalışmasında kullanılan plazmalar, atomların plazmaya dönüştürülmeden önce mutlak sıfırın hemen üzerindeki sıcaklıklara soğutulmasıyla oluşturuldu. Bu yaklaşım, yüklü parçacıkların hareketini, tepkilerinin ölçülmesini daha sıcak versiyonlara göre daha kolay hale getiren bir hıza kadar yavaşlatır. Bu, araştırmacıların etkileşimleri daha kontrollü bir ortamda gözlemlemelerine ve plazmada ne olması gerektiğine ilişkin mevcut teorik tahminler ve modellerle daha iyi karşılaştırmalar yapmalarına olanak tanır.

Ryan Baker, CSU’da yüksek lisans öğrencisi ve makalenin ilk yazarıdır. İşin en zor kısmının plazma sisteminin düşük sıcaklıklarda ne kadar karmaşık hale geldiği olduğunu söyledi.

“En düşük sıcaklıklarda, derinden bağlı atomlardan, gevşek bağlı atomlardan ve serbest elektronlardan oluşan ve beklenmedik şekillerde etkileşime giren ‘plazmalar’ yapıyorduk. Deneysel verilerimizden faydalı bilgileri çıkarmak için tamamen yeni, simülasyon odaklı bir yaklaşım bulmamız gerekiyordu” dedi.

Füzyon modelleme için bir araç

Füzyon reaktörleri, yıldızların içinde bulunan, inanılmaz derecede sıcak, karmaşık ve uçucu olan plazma koşullarını yeniden yaratmaya çalışıyor. Bu tür bir plazmayı faydalı enerji üretecek kadar uzun süre stabil tutmak, temiz ve sınırsız enerjiye giden yolda en büyük bilimsel ve mühendislik zorluklarından biri olmaya devam ediyor.

Makaleden elde edilen araştırmalar, davranışı tahmin edebilen daha iyi bilgisayar modelleri geliştirmek ve gelecekteki füzyon sistemlerinin tasarımını iyileştirmek için faydalı olacaktır.

Düşük sıcaklıklarda parçacıklar arasındaki elektriksel kuvvetler de onların hareketlerine göre daha önemli hale gelir. Bu, CSU ekibinin plazmasını, yüklü parçacıkların, elektron hareketini kısıtlamak için kullanılabilen ve potansiyel eşleşme reaksiyonlarını sınırlayan manyetik alanların tanıtımına nasıl tepki verdiğini incelemek için özellikle yararlı kılmaktadır.

Profesör Jacob Roberts, CSU’nun Fizik Bölümü’ndeki çalışmayı yönetti. Karmaşık plazma teorisini test etmek için gereken koşulları geliştirmenin kolay olmadığını, ancak deneyleri doğrulamanın ve daha iyi modeller oluşturmanın birçok nedenden dolayı takip edilmeye değer olduğunu söyledi.

“Belirli noktalarda plazmanın ne kadar sıcak veya soğuk olduğunun sınırlarını bilmek, ne tür deneylerin mümkün olduğunu ve temiz füzyon enerjisi gibi şeyler için gereken temel bilimi geliştirmeye çalışırken neyi daha fazla araştırmamız gerektiğini anlamamıza yardımcı olabilir” dedi.

“Bu bilgiler aynı zamanda beyaz cüce yıldızlarda ve evrendeki diğer ekstrem ortamlarda var olduğuna inanılan ve veri toplamak için kolayca ziyaret edemeyeceğimiz yoğun plazmaları daha iyi anlamamıza yardımcı oluyor.”

Soğuğun sınırları test ediliyor

Roberts, makalenin ihtiyaca bağlı olarak manyetik alanların plazmayı daha soğuk hale getirmek için nasıl kullanılabileceğini gösterdiğini söyledi. Ayrıca, önceden tahmin edilen sınırlamaların (bunları ne kadar soğuk yapabileceğiniz gibi) yeni bulgularla tutarlı olduğunu da gösteriyor.

“On yıllardır bu plazmaları ne kadar soğuk hale getirebileceğinize dair teoriler var ve amacımız onların nasıl davrandığını belirleyen temel kuralları anlamak ve test etmektir” dedi.

“Burada, CSU’daki bir laboratuvarda oluşturulan bir plazmada ölçülen en soğuk elektronları yaratmış olmak tatmin edici. Ancak daha da önemlisi, maddenin bu önemli durumuna ilişkin anlayışımızı geliştirmeye devam etmek için bir dizi aşırı ortamın nasıl yaratılacağına dair çalışmalarımızın gösterdiği şey.”