Forscher erzeugen erstmals ein ultrakaltes neutrales Plasma im Labor Laserkühlung einer Plasmawolke - scinexx | Das Wissensmagazin
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Forscher erzeugen erstmals ein ultrakaltes neutrales Plasma im Labor

Laserkühlung einer Plasmawolke

Laserkühlung
Mit dieser Laseranlage gelang Forschern erstmals die Abkühlung einer neutralen Plasmawolke bis knapp über den absoluten Nullpunkt. © Brandon Martin/ Rice University

Spannender Durchbruch: Forscher haben erstmals ein neutrales Plasma mittels Laserkühlung auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Dadurch lässt sich dieser normalerweise extrem heiße Materiezustand genauer erforschen als bisher möglich. Denn die Bewegung der Ionen und Elektronen im Plasma wird durch die Kühlung so stark verlangsamt, dass elektrische Wechselwirkungen zwischen den geladenen Plasmateilchen beobachtbar werden, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.

Laser werden normalerweise eingesetzt, um Objekten oder Materialien Energie zuzuführen – und sie dadurch aufzuheizen. Doch das kohärente Licht kann auch zur Kühlung dienen. Dabei bremsen die Lichtteilchen die Molekularbewegung von Teilchen aus und können so Gase, Atome in Atomuhren, Kristalle, Flüssigkeiten und auch Mikroresonatoren bis nahe dem absoluten Nullpunkt herunterkühlen.

Exotische Wechselwirkungen

Doch bei einem Material scheiterte die Laserkühlung bisher: dem sogenannten neutralen Plasma. Diese exotische Materieform entsteht, wenn durch große Hitze und Energiezufuhr Atomen eines oder mehrere Elektronen entrissen werden. Eine solche insgesamt elektrisch neutrale Mischung aus Ionen und frei umherrasenden Elektronen kommt beispielsweise im Inneren von Weißen Zwergen, im Kern von Gasriesen wie dem Jupiter oder in einigen Fusionsreaktoren vor.

Durch den enormen Druck in diesen Plasmen werden die Ionen so eng aneinandergedrückt und an der Bewegung gehindert, dass eine sogenannte starke Kopplung auftritt. „Bei dieser steckt mehr Energie in der elektrischen Wechselwirkung zwischen den Teilchen als in der kinetischen Energie der Molekularbewegung“, erklärt Studienleiter Thomas Killian von der Rice University in Houston. Anders ausgedrückt: Die Anordnung der Ionen wird primär durch ihre gegenseitige Abstoßung bestimmt, statt durch zufällige Bewegungen.

Das Spannende daran: „Diese Kopplung kann zu seltsamen Phänomenen führen und flüssige oder sogar feste Plasmen erzeugen – etwas, das weit außerhalb unserer normalen Erfahrung liegt“, so Killian. Doch die in den Kernen von Sternen oder Gasriesen herrschenden Bedingungen lassen sich im Labor nicht rekonstruieren. Könnte man aber Plasmen so weit herunterzukühlen, bis die Molekularbewegung stockt, ließen sich Phänomene wie die starke Kopplung erstmals näher erforschen.

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Plasmawolke wird ultrakalt

Genau dies ist nun Killian und seinem Team gelungen: Sie haben ein neutrales Plasma bis auf wenige Millikelvin heruntergekühlt – bis nahe dem absoluten Nullpunkt. Dafür erzeugten sie zunächst ein Plasma, indem sie Strontium verdampften und diese Atomwolke stark abkühlten. Das kalte Strontiumgas wurde dann mit ultrakurzen Laserpulsen ionisiert, so dass ein neutrales Plasma entstand.

Die Forscher bestrahlten dann die sich ausdehnende Plasmawolke mit zwei entgegensetzt polarisierten und genau aufeinander gerichteten Laserstrahlen. Dies führte im Zentrum der Wolke zu einer substanziellen Abkühlung: „Nach 135 Mikrosekunden der Laserbestrahlung beobachteten wir eine Temperatur von 50 Millikelvin – das ist ein klarer Beleg für eine Laserkühlung“, so Killian und seine Kollegen.

„Eine ganz neue Welt der Möglichkeiten“

„Noch kennen wir den praktischen Nutzen dieses Durchbruchs nicht, aber jedes Mal, wenn Physiker bisher eine neue Art von Material lasergekühlt haben, hat es uns eine ganz neue Welt der Möglichkeiten eröffnet“, sagt Killian. „Durch die neue Methode können wir nun exotische, stark gekoppelte Plasmen erstmals näher erforschen – ich bin sicher, dass wir dabei Entdeckungen machen werden, die wir uns zuvor nicht hätten träumen lassen.

In jedem Fall können die ultrakalten neutralen Plasmen dabei helfen, die Bedingungen im Inneren von Gasriesen und Sternen besser zu verstehen. Wie die Forscher ermittelten, zeigten die Ionen in ihrer gekühlten Plasmawolke wie erhofft eine starke Kopplung: Der Effekt ihrer gegenseitigen elektrischen Abstoßung überwog die ungerichtete Molekularbewegung – ähnlich wie für Plasmen beispielsweise im Inneren Weißer Zwerge postuliert. (Science, 2019; doi: 10.1126/science.aat3158)

Quelle: Rice University

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