虽然等离子体是宇宙中最常见的物质状态，但它并没有像气态、固态和液态的物质那样得到那么多的爱。对我们大多数人来说，等离子体似乎是一种为空间保留的外来物质:正电荷和负电荷粒子的热混合物。汉堡大学的一组物理学家对此表示异议。在1月份发表的一项新研究中，他们用激光照射几千个极冷的原子，仅用一千万亿分之一秒的时间，就创造了一个前所未有的高密度等离子体。
等离子体就像一种具有足够能量的气体，它的原子可以轻微地解体。等离子体中的所有原子都失去了一些电子。它们变成了带正电的离子，但仍然和逃离它们的电子在一起。这种离子和电子的混合物是在极端环境中产生的。太阳内部是等离子体，白矮星和气态巨行星内部也是等离子体，还有闪电。在任何情况下，热能或电能都能将一种由性能良好的中性原子组成的气体变成炽热的等离子体。像汉堡团队创造的这种等离子体可能很快就会成为这些天文系统的模拟器，否则很难进行研究。
自上世纪90年代末以来，物理学家一直在创造超冷等离子体，但这种新等离子体之所以引人注目，是因为它的密度大约是之前任何超冷等离子体的百万倍。“这是一个全新的体系，”汉堡大学物理学家、该研究小组的共同负责人菲利普·韦塞尔-斯塔曼(Philipp Wessels-Staarmann)说。“以前(在实验室里)这是不可能的。”
物理学家们用铷原子作为等离子体的起始点，铷原子被冷却到绝对零度以上百万分之一开尔文的温度——这是一个极冷的温度，而不是太阳内部的极热温度。他们使用激光和磁铁将原子困在原地，并大幅降低它们的能量，使它们几乎保持静止，而不是像室温下的原子那样在原地振动。然后，它们以一束持续时间仅为十亿分之一秒的高能光向它们发射，并撕裂了它们所有的电子。瞬间，整个系统变成了稠密的等离子体。在一台小到可以放进一个房间的机器里，他们得到了一个比人类头发直径还小的恒星内部的模拟物。实际的恒星不能直接进行实验，但这个系统完全可以由他们使用。
视频:啊/马里奥Groß曼但超低温等离子体如何能告诉我们关于超热恒星的任何信息呢?来自赖斯大学的超冷等离子体物理学家托马斯·基利安(Thomas Killian)没有参与这项研究，他说，例如，为了研究白矮星内部的热量或质量是如何从一个地方传递到另一个地方，物理学家可以使用超冷等离子体实验室实验作为基准。他指出:“如果我们能在这些实验中测量传输速率，就真的能验证完全相同的理论。”
汉堡物理学家们制造的等离子体是此类测试的一个很好的候选对象，因为在某种程度上，它比以往任何时候都更加极端。因为密度非常大，电耦合——内部带电粒子之间的相互作用——非常强。该领域的先驱、马里兰大学的科学家史蒂文·罗尔斯顿(Steven Rolston)说，对于超冷等离子体物理学家来说，制造一种强相互作用的等离子体一直是一个愿望清单，也是一个技术挑战。他没有参与这项研究。“等离子体实际上不喜欢强耦合，”他说。他说，一旦等离子体中的原子变成带电离子，如果有足够的时间，它们的电位能就会积聚起来，使它们摆动，从而抵消将它们耦合在一起的相互作用。
由于在实验室中设计和在太空中实现强耦合等离子体非常困难，因此强耦合等离子体是物理学家尚未探索的领域。它们是一种科学家还没有完全掌握的物质状态，并想要进行更多的探索。
据汉堡研究小组的共同负责人朱丽叶·西莫内特(Juliette Simonet)说，这项新实验的成功部分来自于将超冷和超快物理专家聚集在一起。这导致了使用极冷的可控原子作为实验的基础，以及使用极快的激光作为操作原子的主要工具的双重冲击。“这是两个研究领域之间的一次重大合作，”她说。
她的团队建造的机器还允许研究人员直接追踪电子脱离原子后的活动。在过去的实验中，物理学家只能通过测量等离子体的其他方面来推断它们可能发生了什么。在这里，他们确定激光脉冲导致电子的温度在瞬间飙升到8000华氏度以上，然后它们在离子的拉动下冷却下来。“这是迄今为止所见不到的，”西莫奈在谈到这一详细观察时说。
据基利安说，迄今为止，物理学家的理论还无法解释这些细节。他指出:“人们在等离子体中使用的许多描述能量或质量在系统中传输方式的标准理论，在这种(相互作用)机制下并不适用。”
为了确保他们理解他们所看到的东西，汉堡团队转向了计算机计算。因为他们的等离子体非常小，研究小组的研究生、该研究的合著者马里奥·格罗斯曼(Mario Grossman)说，他们可以计算出每一个等离子体粒子是如何相互作用的。这就像让电脑通过收集每两个人谈话的细节来描述拥挤房间里的噪音一样。
对于他们的8000粒子系统，他不得不等待长达22天的时间，让计算机产生结果。令人鼓舞的是，模拟等离子体粒子所做的几乎与研究人员在实验中看到的真实粒子所做的完全一样。然而，这种模拟方法对于任何更大、自然产生的等离子体来说都是不切实际的。
“大多数理论确实是一种蛮力——‘让我把它放在一个真正的大计算机上，计算交互作用’——这是不合理的，”Rolston同意。他指出，可能没有足够强大的计算机能够同时处理大等离子体中的每一个粒子的相互作用。一个更复杂的理论应该缩小范围，忘记粒子的本质细节，根据等离子体的整体特性来预测等离子体的行为。
这种理论将有助于超冷物理学家和研究天体的研究人员。它可以预测强耦合等离子体何时会产生波纹或维持电流。这些预测可以在地球上的实验室实验中得到验证，并为太空中白矮星的演化——甚至是合并——提供洞见。“我们最初有一个超耦合等离子体，”Wessels-Staarmann说。“有趣的是，真正保持这种耦合，这样你就可以真正为白矮星的情况做出贡献。”
随着他的团队继续在等离子体上进行实验，他们增加等离子体结构复杂性和进行精确测量的能力将进一步加深对这种物质状态的基本理解。他们热衷于推动他们的血浆在未来的研究中进行更多的互动。他们的目标是调整用来制造电子的光的爆发——能够准确地告诉电子在离开原子后该做什么将是至关重要的。
尽管这台机器提供了比以往任何一种等离子体都更极端的见解，但研究小组感觉他们才刚刚开始。“这是一个很好的模拟器，”Simonet这样评价他们的机器。“假设我们刚刚检查过它是否有效。”
