Première création par l'Université d'État du Colorado d'un plasma neutre ultrafroid dont la température électronique est inférieure à 1 kelvin

Des chercheurs de l'Université d'État du Colorado (Colorado State University) ont combiné le refroidissement laser avec un champ magnétique intense pour créer pour la première fois un plasma neutre ultrafroid. Les mesures montrent que la température électronique de ce plasma se situe à moins d'un kelvin du zéro absolu, l'une des températures électroniques les plus basses jamais mesurées dans un plasma.

Les résultats ont été publiés dans la revue Physics of Plasmas. La nouvelle méthode proposée dans l'article contribue à tester les théories des plasmas dans des conditions expérimentales plus contrôlées et à améliorer les modèles de calcul du comportement des plasmas dans des environnements extrêmes. Les chercheurs estiment que ces travaux pourraient servir de référence pour la conception de futurs systèmes d'énergie de fusion ainsi que pour l'étude de systèmes astrophysiques tels que les naines blanches.

Le plasma est souvent appelé le quatrième état de la matière et constitue la grande majorité de la matière visible dans l'univers. Lorsqu'un gaz reçoit une énergie suffisamment élevée, les atomes s'ionisent, formant un système composé d'électrons libres, d'ions chargés positivement et de certains atomes neutres. Les plasmas existent largement à l'intérieur des étoiles et peuvent également être produits en laboratoire par énergie électrique, laser ou thermique.

Contrairement aux plasmas à haute température, l'équipe de l'Université d'État du Colorado refroidit d'abord les atomes à proximité du zéro absolu avant de les transformer en plasma. Les basses températures ralentissent considérablement le mouvement des particules chargées, permettant aux chercheurs de mesurer plus clairement la réponse des particules et de comparer les résultats expérimentaux aux prédictions théoriques existantes.

Roberts (à droite) et Baker travaillent ensemble en laboratoire. Crédit photo : Université d'État du Colorado / Collège des sciences naturelles

Ryan C. Baker, étudiant diplômé de l'Université d'État du Colorado et premier auteur de l'article, a indiqué que le système de plasma à basse température devient exceptionnellement complexe. Il a expliqué qu'à des températures extrêmement basses, le système préparé expérimentalement contient simultanément des atomes fortement liés, des atomes faiblement liés et des électrons libres, et que ces composants interagissent de manière inattendue. Pour extraire des informations utiles des données expérimentales, l'équipe a développé une nouvelle méthode d'analyse pilotée par simulation.

Cette recherche présente une valeur potentielle pour l'étude de l'énergie de fusion. Les réacteurs à fusion doivent reproduire sur Terre des environnements de plasma similaires à ceux de l'intérieur des étoiles, caractérisés par des températures extrêmement élevées, une structure complexe et une stabilité limitée. La manière de confiner le plasma suffisamment longtemps et de maintenir un état contrôlable constitue l'un des problèmes scientifiques et techniques clés pour la mise en œuvre pratique de l'énergie de fusion.

À basse température, l'interaction du champ électrique entre les particules devient plus prononcée par rapport au mouvement thermique des particules. Par conséquent, le plasma préparé par l'équipe de l'Université d'État du Colorado peut être utilisé pour étudier la réponse des particules chargées dans un champ magnétique. Le champ magnétique limite le mouvement des électrons, ce qui est étroitement lié au confinement du plasma de fusion et à la construction de modèles associés.

Cette recherche est dirigée par Jacob Roberts, professeur de physique à l'Université d'État du Colorado. Il a indiqué que créer des conditions expérimentales permettant de tester des théories complexes sur les plasmas n'est pas aisé, mais que les résultats contribuent à déterminer les limites de faisabilité des expériences sur les plasmas ultrafroids et à clarifier les questions fondamentales de la recherche sur l'énergie de fusion qui nécessitent encore des investigations approfondies.

Roberts a également souligné que ces perspectives expérimentales peuvent être utilisées pour comprendre les plasmas denses susceptibles d'exister dans les naines blanches et d'autres environnements extrêmes de l'univers. Étant donné qu'il est difficile pour les chercheurs de se rendre directement sur ces environnements célestes pour collecter des données, la simulation contrôlée en laboratoire revêt une importance significative pour la validation des théories correspondantes.

L'article montre que les chercheurs peuvent utiliser le champ magnétique pour abaisser davantage la température du plasma en fonction des besoins expérimentaux. Les résultats expérimentaux concordent également avec les prédictions théoriques antérieures concernant la limite de température minimale des plasmas. Roberts a indiqué que, depuis des décennies, la communauté scientifique débat de la température minimale que ce type de plasma peut atteindre, et que ces travaux créent non seulement un environnement électronique extrêmement froid en laboratoire, mais démontrent également une nouvelle voie pour générer une série de conditions de plasma extrêmes.

L'article, intitulé « Effet de la magnétisation sur le chauffage électronique dans les plasmas neutres ultrafroids de faible densité », dont les auteurs incluent Ryan C. Baker et al., a été publié dans Physics of Plasmas.