Bắn phá laser giúp tạo ra plasma nguội nhất từ trước đến nay

Nhómnghiên cứu từng tạo ra các plasma lạnh nhất vũ trụ, vừa tìm được cách khiếnchúng hạ nhiệt tiếp - bắn phá bằng chùm laser. Các nhà khoa học đã hạ được nhiệtđộ plasma xuống khoảng 50 phần nghìn độ trên độ không tuyệt đối (-273,15°C), lạnh hơn khoảng 50 lần so với plasma trong khônggian vũ trụ.

Loại plasma lạnh này có thểtiết lộ về cách mà các plasma tương tự hoạt động ở trung tâm các sao lùn trắng và sâu trong lõi của những hành tinh khí, chẳng hạn như sao Mộc - láng giềng vũtrụ của chúng ta; theo báo cáo trong nghiên cứu mới.

Plasma là một loại khí, nhưng sự khác biệt của nó đủ để được công nhận là mộttrong bốn trạng thái cơ bản của vật chất (bên cạnh trạng thái khí, lỏng và rắn). Trongplasma, một số lượng đáng kể các electron đã được tách ra khỏi nguyên tử củachúng, tạo ra trạng thái mà các electron tự do chuyển động quanh các ion (bất kểđiện tích dương hay âm) hoặc các nguyên tử.

Nhiệt độ plasma tự nhiên thường rất cao; ví dụ, plasma trênmặt trời nóng đến 18.800 triệu độ F (khoảng 6.000 độ C). Bằng cách khiếnplasma nguội đi, các nhà khoa học có thể quan sát chi tiết hơn để nghiên cứusâu về trạng thái của nó trong các hoàn cảnh khắc nghiệt, giống như những hànhtinh khí khổng lồ - láng giềng của trái đất.

Nguội hơn

Vậy vì sao chùm laser có thể giúp hạ nhiệt độ plasma xuống?

"Việclàm mát bằng laser là nhờ động lượng của ánh sáng", Thomas Killian, tác giảnghiên cứu và giáo sư vật lý học, thiên văn học tại Đại học Rice, Texas nói. "Nếutôi có một ion trong plasma và dùng chùm laser tán xạ ánh sáng khỏi ion đó, thìmỗi khi ion này tán xạ một photon, bản thân nó sẽ bị đẩy theo hướng của chùmlaser," Killian cho biết.

Điều này có nghĩa là nếu một chùm laser chống lại chuyển động tự nhiên của ion, thì mỗikhi ion tán xạ ánh sáng, nó sẽ bị mất một số động lượng, và chậm dần đi. "Nógiống như leo dốc vậy" ông nói.

Trong các thí nghiệm của mình,Killian và nhóm đồng nghiệp đã tạo ra một lượng nhỏ plasma trung tính - tức là plasmavới số lượng điện tích dương và âm gần bằng nhau - bằngcách làm kim loại strontium bay hơi và sau đó ion hóa đám mây khí này.

Plasma này tồn tại trong chưa đầy 1 phần trăm triệu giây, vẫn đủ để thí nghiệmtrước khi nó tan biến. Trước khi bắn phá laser, họ đã làm nguội sơ bộplasma để khiến các ion chậm đi. Cuối cùng, sản phẩm thu được lạnh hơn khoảngbốn lần so với bất kỳ loại plasma nào trước đây, báo cáo nghiên cứu khẳng định.

Mặc dù các thí nghiệm chỉ diễnra trong một phần rất nhỏ của giây, việc lắp ráp các thiết bị cần thiết để hoàntất quá trình làm lạnh này mất khoảng 20 năm - và có hàng ngàn thí nghiệm đã đượcthực hiện, Killian nói.

"Khi chúng tôi tạo ra mộtplasma, nó chỉ tồn tại trong vài phần trăm triệu giây". Quá trình "tạo raplasma, làm lạnh bằng laser , quan sát những gì diễn ra chỉ trong chưa đầymột phần nghìn giây" ông cho biết. "Phải mất rất nhiều ngày thu thập dữ liệu đủ để kết luận: thì ra nó vận hành như thế".

Có thể lạnh hơn nữa?

Những phát hiện của nghiên cứu có thể giúp giảiđáp vấn đề: plasma siêu lạnh tương tác với năng lượng và vật chất như thế nào? Nhờđó, các nhà khoa học có thể xây dựng những mô hình sao lùn trắng và các hành tinh khí khổng lồ gần giống thực tế, do plasma siêu lạnh trong phòngthí nghiệm tương tự với loại plasma ở lõi của chúng.

Việctạo ra loại plasma lạnh hơn nữa cũng nằm trong một tương lai không xa, điều nàycó thể làm thay đổi sự hiểu biết của con người về cách thức vật chất bí ẩn nàyhoạt động, Killian cho biết. "Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ nó xuống, chúng tacó thể tiến gần đến loại plasma rắn - có độ đậm đặc gấp 10 bất kỳ vật chất dạngrắn nào con người từng tạo ra. Điều đó sẽ rất, rất thú vị," ông nói thêm.

Những phát hiện này đượccông bố trực tuyến vào thứ Năm tuần trước trên tạp chí Science .

Tùng Anh

Theo Livescience