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揭开核聚变的秘密!科学家将世界上最冷的等离子体困在了一个“磁瓶”中

2021-03-02 15:50 前瞻网   

美国莱斯大学(Rice University)的物理学家们发现了一种方法,可以将世界上最冷的等离子体困在一个“磁瓶”中。这项技术成就将推动清洁能源、空间天气和天体物理学的研究。

使用激光冷却锶,研究人员制造了一个比绝对零度(Absolute Zero)高1度(约-272℃)的等离子体,并利用周围磁铁的力将其短暂地困住。这是超低温等离子体第一次被磁限制,这为在许多环境与场景下研究等离子体打开了一扇门。

揭开核聚变的秘密!科学家将世界上最冷的等离子体困在了一个“磁瓶”中

等离子体是物质的四种基本状态之一,但与固体、液体和气体不同,等离子体通常不是日常生活的一部分,因为它们往往发生在非常热的地方,如太阳、闪电或蜡烛火焰。

激光冷却(laser-cooling)技术是25年前发展起来的,用来捕捉和减缓物质的光。而在他们的近期研究中,如何用磁铁捕获等离子体是一个关键问题,团队的诊断方法是激光诱导荧光:“我们用激光束照射等离子体中的离子,如果光束的频率恰到好处,离子就会非常有效地散射光子。”

实验中,等离子体的行为也因磁场的作用而变得更加复杂。这也正是他们的等离子体诱捕技术如此有用的原因。

研究证明了在双锥尖或四极磁场的零位置产生的超冷中性等离子体(UCNP)产生了磁约束。最初,UCNP由于电子热压而膨胀。当等离子体遇到较强的电场时,膨胀速度会减慢,密度分布会形成电场。UCNP电子在大部分等离子体上被强烈磁化,而离子磁化仅在边界处显著有效。观察表明,电子和离子主要分别被磁镜像和双极电场所捕获。限制时间接近0.5 ms,而非磁化等离子体耗散的时间尺度为几十微秒。

他们用来装超冷等离子体的四极磁场装置,与20世纪60年代核聚变能源研究人员开发的设计类似。用于核聚变的等离子体需要达到1.5亿℃,而用磁装置来容纳它是一个挑战——部分原因是关于等离子体和磁场如何相互作用和影响的未解问题。要在足够长的时间内保持磁场稳定,才能真正遏制反应。

在未来的工作中,研究人员计划将磁场和激光结合起来,创造出更强大、更多功能的陷阱。

近日,相关成果以“Magnetic Confinement of an Ultracold Neutral Plasma”为题,发表在《物理评论快报》(PHYSICAL REVIEW LETTERS)上。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4114RWL

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