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【瓶中闪电】物理学家们首次将超冷等离子体囚禁在磁性瓶子里

在瓶子里捕捉闪电是用来描述困难的任务的,但现在物理学家们找到了在磁性瓶子陷阱里容纳超冷等离子体的方法。这一突破让物理学家在理解太阳风和实现核聚变方面更进一步。

等离子体是物质的四种状态之一,由正离子和负自由电子组成。但与固体、液体和气体不同的是,它倾向于只出现在最极端的地方,例如我们称之为闪电的电离空气条纹、北极光的舞动图案或太阳表面,这使得对它的研究极为困难。

北极光或太阳表面的等离子体以科学家尚未完全理解的方式与复杂磁场相互作用,科学家研究起来非常困难。

较冷的粒子移动较慢,可以更精确地测量其行为。为了弄清楚等离子体是如何与磁场相互作用的,科学家们用一种叫做激光冷却的技术将由锶构成的等离子体冷却到绝对零度以上1度(约零下272摄氏度)。

你可能认为向某个物体发射激光会加热它,但如果激光束中的光子(光粒子)与移动的等离子体粒子的方向相反,它们实际上会使这些等离子体粒子减速并冷却。

一旦等离子体被冷却,研究人员利用周围磁铁的力瞬间将其捕获,让他们在其消散之前对其进行研究。然后他们着手解开等离子体中离子和电子与磁场之间的相互作用,磁场在整个等离子体中变化很大。相互作用是如此复杂,以至于他们花了一年的时间来完全解释他们的数据。

“我们通过散射等离子体中离子的光来测量等离子体的性质,但磁场确实使这一点复杂化。这是因为磁场改变了离子如何以不可预知的方式散射激光。”汤姆·基利安说。

俘获技术为等离子体研究开辟了广泛的途径。如果物理学家能在一个瓶子里捕捉到超冷等离子体,他们就能研究像白矮星这样由等离子体组成的恒星物体的行为,或者开始复制太阳内部聚变的条件。

下一步,研究人员说他们将设计一个激光网格,它将堵住瓶子磁场中的任何孔,通过这些孔,离子可以逃离实验。他们还希望进一步研究被俘获的等离子体内部发生的过程,例如离子和电子如何重组,能量和质量如何在系统中移动。

基里安说:“我们的新能力可能会给研究这些现象提供一个很好的机会。类似的效应可能对理解其他一些很难进行实验的系统很重要,比如白矮星。”

基里安说:“除此之外,整个等离子体的磁场在空间上是变化的。我们必须整理出所有这些影响。画出一张等离子体密度和速度随时间推移的图片。”

他们揭示的图片是这样的:快速移动的、低质量的电子被紧紧地钉在磁力线上,并在磁力线周围盘旋,正离子被带负电荷的电子所吸引,被夹在陷阱里。该论文的作者推测,磁场阻止了电子和离子结合形成中性原子,从而使其困在等离子体状态。

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