Des physiciens créent le premier plasma neutre refroidi par laser au monde

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Les plasmas se forment naturellement à des températures élevées, telles que celles atteintes à l’intérieur des étoiles. Les plasmas neutres sont constitués d’un nombre égal d’ions et d’électrons positifs. Lors d’expériences récentes, une équipe de physiciens de l’université Rice a travaillé avec un plasma neutre froid créé à partir d’atomes de strontium ionisés par une lumière laser. L’équipe a utilisé des lasers pour refroidir les ions à environ 50 mK (millikelvin), une percée qui pourrait conduire à des simulateurs d’états exotiques de la matière qui se produisent au centre de Jupiter ou d’étoiles naines blanches.

Langin et al ont créé le premier plasma neutre refroidi par laser au monde. Crédit image : Brandon Martin / Rice University.

Langin et al ont créé le premier plasma neutre refroidi par laser au monde. Crédit image : Brandon Martin / Rice University.

“Le plasma est un mélange électriquement conducteur d’électrons et d’ions”, expliquent le professeur Tom Killian et ses collègues de l’université Rice.

“C’est l’un des quatre états fondamentaux de la matière ; mais contrairement aux solides, aux liquides et aux gaz, qui nous sont familiers dans la vie quotidienne, les plasmas ont tendance à se produire dans des endroits très chauds, comme la surface du Soleil ou un éclair.”

“En étudiant les plasmas ultrafroids, nous espérons répondre à des questions fondamentales sur le comportement de la matière dans des conditions extrêmes de haute densité et de basse température.”

Le professeur Killian et ses coauteurs ont utilisé 10 lasers de différentes longueurs d’onde pour créer et refroidir le plasma neutre.

Les chercheurs ont commencé par vaporiser du strontium métallique et ont utilisé un ensemble de faisceaux laser se croisant pour piéger et refroidir une bouffée d’atomes de strontium de la taille du bout du doigt d’un enfant.

Ensuite, ils ont ionisé le gaz ultra-froid avec une explosion de 10 nanosecondes d’un laser pulsé.

En enlevant un électron à chaque atome, l’impulsion a converti le gaz en un plasma d’ions et d’électrons.

L’énergie de l’explosion ionisante provoque une expansion rapide du plasma nouvellement formé et sa dissipation en moins d’un millième de seconde.

Cette découverte est que les ions en expansion peuvent être refroidis avec une autre série de lasers après que le plasma soit créé.

“Nous ne connaissons pas encore les retombées pratiques, mais chaque fois que les physiciens ont refroidi au laser un nouveau type de chose, cela a ouvert tout un monde de possibilités”, a déclaré le professeur Killian.

“Personne n’a prédit que le refroidissement par laser d’atomes et d’ions conduirait aux horloges les plus précises du monde ou à des percées dans l’informatique quantique. Nous faisons cela parce que c’est une frontière.”

Les travaux de l’équipe ont été publiés dans la revue Science.

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