ビデオ物理学者は、世界で最も冷たいプラズマの一部を初めて磁気「ボトル」の中に閉じ込め、星の内部のより現実的なシミュレーションの構築に向けて最初の試行的な一歩を踏み出しました。
物質の第 4 の状態としても知られるプラズマは、通常、非常に高温の環境で形成され、その環境では熱によって原子から外側の電子が剥ぎ取られ、帯電粒子の乱流の海が残ります。
超高温プラズマを閉じ込めるために強力な磁場が用いられますが、物質の特性を調べたり、核融合発電を行ったりといった興味深い研究を行うのに十分な時間、物質を閉じ込めるには多大なエネルギーが必要です。ライス大学の研究者たちは、超高温プラズマの研究ではなく、より扱いやすいプラズマを生成するために、はるかに低い温度に着目しました。
高温プラズマは、粒子の大きな運動エネルギーを克服するために非常に強力な磁場を必要とする、とこのプロジェクトに携わるアメリカのライス大学の大学院生グラント・ゴーマン氏はThe Registerに説明した。
「大きな問題の一つは、反応を封じ込めるのに十分な時間、磁場を安定に保つことです」と彼は述べた。「一方、冷たいプラズマは動きが遅く、質量とエネルギーの流れを減少させます。このようなプラズマを閉じ込めるには、実験室で電線に電流を流すことで簡単に生成できる適度な磁場が必要です。」
まず、ストロンチウム原子の流れを絶対零度よりわずかに高い-272℃まで冷却し、レーザーでイオン化します。次に、2組のコイルに流れる電流によって発生する磁場内に原子を閉じ込めます。生成されるプラズマの量はごくわずかで、1ミリ秒以内に消散します（下のビデオで説明されています）。
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それほど長い時間のようには思えないかもしれないが、磁気による閉じ込めがなければプラズマ内の粒子は互いに離れていく傾向があり、持続時間はわずか数十マイクロ秒しかない。
「プラズマを非常に低温に保ち、非常にクリーンな実験システムを備えていることは非常に有益です」と、Physical Review Letters誌に掲載された研究論文（無料のプレプリントはこちら）の共著者であり、ライス大学の物理学・天文学教授であるトム・キリアン氏は述べています。「シンプルで小型、かつ適切に制御され、十分に理解されているシステムから始めることで、不要なものを取り除き、観測したい現象を真に分離することができます。」
コイル内の磁場の強さは約100ガウスで、一般的な冷蔵庫用マグネットの約10倍だとゴーマン氏は付け加えた。
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研究チームは、これらの磁化された低温プラズマ雲を生成することで、計算モデル化が難しい物理過程の理解を深めることができると考えています。例えば、低温プラズマ実験では、白色矮星や中性子星の環境をシミュレートすることができます。
ゴーマン氏は、冷たいプラズマは、たとえ天体よりもはるかに冷たく小さい星であっても、いくつかの特性を共有していれば、その内部構造をシミュレートできると述べた。「プラズマの特性の一つは、強く結合していることです」と彼は述べた。「隣接する粒子間の相互作用エネルギーと力を考えると、それらが平均運動エネルギーと比較して大きい場合、プラズマは強く結合していると言えます。これは非常に興味深い現象につながり、系は同様の輸送特性を共有することになります。」
研究チームは、個々のイオンを撮影することで、冷えたストロンチウムプラズマの運動をマッピングしました。粒子はレーザービームで照射され、光を受けて発光します。放出される周波数から、粒子の位置と速度を推定することができます。しかし、コイルによって生成される磁場は均一ではなく、粒子が蛍光を発する周波数が変化することが分かっています。
「それがこの実験を行う上で最大の課題の一つです」とゴーマン氏は説明した。「最も重要なのは、実験が非常に綿密に管理され、正確な診断が可能なことです。微妙な変化によって、目に見えるものが複雑になってしまう可能性があります。」
プラズマ実験を物理学の有用な分野に応用するには、研究者が物質をより長時間制御し、その特性を正確に測定できる必要があります。「太陽風が地球とどのように相互作用するかを理解し、核融合からクリーンエネルギーを生成するには、電子とイオンの集合体であるプラズマが磁場の中でどのように振る舞うかを理解する必要があります」とキリアン氏は付け加えました。®
