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Imagens produzidas por fluorescência induzida por laser mostram como uma nuvem de plasma ultracold (amarelo e ouro) em rápida expansão se comporta quando confinada por um ímã quadrupolo. Plasmas ultracold são criados no centro da câmara (esquerda) e se expandem rapidamente, geralmente se dissipando em alguns milésimos de segundo. Usando fortes campos magnéticos (rosa), os físicos da Rice University capturaram e mantiveram plasmas ultracold por vários centésimos de segundo. Ao estudar como os plasmas interagem com campos magnéticos fortes em tais experimentos, os pesquisadores esperam responder a questões de pesquisa relacionadas à energia de fusão limpa, física solar, clima espacial e muito mais. Crédito: T. Killian / Rice University
Os físicos da Rice University descobriram uma maneira de prender o plasma mais frio do mundo em uma garrafa magnética, uma conquista tecnológica que pode avançar na pesquisa em energia limpa, clima espacial e astrofísica.
"Para entender como o vento solar interage com a Terra, ou para gerar energia limpa a partir da fusão nuclear , é preciso entender como o plasma - uma sopa de elétrons e íons - se comporta em um campo magnético ", disse Rice Dean de Ciências Naturais Tom Killian , o autor correspondente de um estudo publicado sobre o trabalho em Physical Review Letters .
Usando estrôncio resfriado a laser, Killian e os alunos de graduação Grant Gorman e MacKenzie Warrens fizeram um plasma cerca de 1 grau acima do zero absoluto, ou aproximadamente -272 graus Celsius, e o prendeu brevemente com as forças dos ímãs ao redor. É a primeira vez que um plasma ultracold é confinado magneticamente, e Killian, que estudou plasmas ultracold por mais de duas décadas, disse que ele abre a porta para o estudo de plasmas em muitos ambientes.
"Isso fornece um ambiente de teste limpo e controlável para estudar plasmas neutros em locais muito mais complexos, como a atmosfera do sol ou estrelas anãs brancas", disse Killian, professor de física e astronomia. "É muito útil ter o plasma tão frio e esses sistemas de laboratório muito limpos. Começar com um sistema simples, pequeno, bem controlado e bem compreendido permite que você elimine parte da desordem e isole realmente o fenômeno que você quero ver."
Isso é importante para o co-autor do estudo Stephen Bradshaw, astrofísico de Rice que se especializou em estudar fenômenos de plasma no Sol.
"Em toda a atmosfera do sol, o (forte) campo magnético tem o efeito de alterar tudo em relação ao que você esperaria sem um campo magnético, mas de maneiras muito sutis e complicadas que podem realmente te confundir se você não tiver um bom entendimento dele ", disse Bradshaw, professor associado de física e astronomia.
Vídeo: https://youtu.be/97DMTPmvMiI
Crédito: Rice University
Os físicos solares raramente obtêm uma observação clara de características específicas na atmosfera do sol porque parte da atmosfera fica entre a câmera e essas características, e fenômenos não relacionados na atmosfera intermediária obscurecem o que eles gostariam de observar.
"Infelizmente, por causa desse problema de linha de visão, as medições observacionais das propriedades do plasma estão associadas a muitas incertezas", disse Bradshaw. "Mas à medida que melhoramos nossa compreensão dos fenômenos e, fundamentalmente, usamos os resultados de laboratório para testar e calibrar nossos modelos numéricos, então, esperançosamente, podemos reduzir a incerteza nessas medições".
O plasma é um dos quatro estados fundamentais da matéria, mas ao contrário dos sólidos, líquidos e gases, os plasmas geralmente não fazem parte da vida cotidiana porque tendem a ocorrer em lugares muito quentes como o sol, um raio ou a chama de uma vela. Como aqueles plasmas quentes, os plasmas de Killian são sopas de elétrons e íons, mas são gelados por resfriamento a laser, uma técnica desenvolvida há um quarto de século para capturar e retardar a matéria com a luz.
Killian disse que a configuração magnética quadrupolo usada para capturar o plasma é uma parte padrão da configuração ultracold que seu laboratório e outros usam para fazer plasmas ultracold. Mas descobrir como prender o plasma com os ímãs foi um problema espinhoso porque o campo magnético destrói o sistema óptico que os físicos usam para observar os plasmas ultracold.
"Nosso diagnóstico é a fluorescência induzida por laser, onde projetamos um feixe de laser sobre os íons em nosso plasma e, se a frequência do feixe estiver correta, os íons espalharão os fótons de maneira muito eficaz", disse ele. "Você pode tirar uma foto deles e ver onde os íons estão, e você pode até medir sua velocidade olhando para a mudança Doppler, assim como usar um radar para ver a velocidade de movimento de um carro. Mas os campos magnéticos realmente mudam em torno das frequências ressonantes, e temos que separar as mudanças no espectro que vêm do campo magnético das mudanças Doppler que estamos interessados em observar".
Isso complica significativamente os experimentos e, para tornar as coisas ainda mais complicadas, os campos magnéticos mudam dramaticamente em todo o plasma.
O estudante de graduação da Rice University, MacKenzie Warrens, ajusta um experimento de resfriamento a laser no Laboratório de átomos e plasma ultracold de Rice. (Foto de Jeff Fitlow / Rice University)
"Portanto, temos que lidar não apenas com um campo magnético, mas com um campo magnético que varia no espaço, de uma forma razoavelmente complicada, a fim de entender os dados e descobrir o que está acontecendo no plasma", disse Killian. "Passamos um ano apenas tentando descobrir o que estávamos vendo assim que obtivemos os dados".
O comportamento do plasma nos experimentos também é tornado mais complexo pelo campo magnético. É exatamente por isso que a técnica de captura pode ser tão útil.
"Há muita complexidade à medida que nosso plasma se expande através dessas linhas de campo e começa a sentir as forças e ficar preso", disse Killian. "Este é um fenômeno muito comum, mas é muito complicado e algo que realmente precisamos entender".
Um exemplo da natureza é o vento solar, fluxos de plasma de alta energia do sol que causam a aurora boreal, ou aurora boreal. Quando o plasma do vento solar atinge a Terra, ele interage com o campo magnético do nosso planeta, e os detalhes dessas interações ainda não são claros. Outro exemplo é a pesquisa de energia de fusão, onde físicos e engenheiros esperam recriar as condições dentro do sol para criar um vasto suprimento de energia limpa .
Killian disse que a configuração magnética quadrupolar que ele, Gorman e Warrens usaram para engarrafar seus plasmas ultracold é semelhante aos designs que os pesquisadores de energia de fusão desenvolveram na década de 1960. O plasma para a fusão precisa ter cerca de 150 milhões de graus Celsius, e contê-lo magneticamente é um desafio, disse Bradshaw, em parte por causa das perguntas não respondidas sobre como o plasma e os campos magnéticos interagem e influenciam um ao outro.
"Um dos principais problemas é manter o campo magnético estável o suficiente para conter a reação", disse Bradshaw. “Assim que há um pequeno tipo de perturbação no campo magnético, ele cresce e 'pfft', a reação nuclear é arruinada.
"Um dos principais problemas é manter o campo magnético estável o suficiente para conter a reação", disse Bradshaw. “Assim que há um pequeno tipo de perturbação no campo magnético, ele cresce e 'pfft', a reação nuclear é arruinada.
"Para que funcione bem, é preciso manter as coisas muito, muito estáveis", disse ele. "E, novamente, observar as coisas em um plasma de laboratório realmente bom e puro poderia nos ajudar a entender melhor como as partículas interagem com o campo".
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Mais informações: GM Gorman et al. Confinamento magnético de um plasma neutro ultracold, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.085002
Informações do periódico: cartas de revisão física
Fornecido pela Rice University
Fonte: Phys News / por Jade Boyd, Rice University / 02-03-2021
https://phys.org/news/2021-03-bottling-world-coldest-plasma.html
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HélioR.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso de
Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina
(UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Membro da Society for
Science andthePublic (SSP) e assinante de conteúdoscientíficos da NASA
(NationalAeronauticsand Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`CoolGroundObservation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The GlobeProgram / NASA
GlobeCloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela
NationalOceanicandAtmosphericAdministration (NOAA) e U.S DepartmentofState.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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