這三種經典的物理狀態（固態、液態和氣態）在任何普通的廚房裡都可以觀察到，比如當你把冰塊燒開的時候。但是如果你進一步加熱物質，使一種物質的原子碰撞，電子與它們分離，那麼就會達到另一種狀態：等離子體。太空中99%以上的物質都以這種形式存在，比如恆星內部。因此，物理學家熱衷於研究這種材料也就不足為奇了。
不幸的是，由於各種原因，利用恆星內部的高溫高壓在地球上創造和研究等離子體極具挑戰性。耶拿弗裡德裡希席勒大學(Friedrich Schiller University)物理學家們現在已經成功地解決了其中的一些問題，其研究成果發表在著名研究期刊《物理評論X》(Physical Review X)上。
納米線使光穿透
要以等離子體形成的方式加熱材料，需要相應的高能量。通常用大型雷射器的光來做這件事，然而，這種光的脈衝必須非常短，因此當達到適當的溫度時，這種材料不會立即膨脹，而是在短時間內以高密度等離子體的形式聚集在一起。不過，這種實驗設置存在一個問題：當雷射束擊中樣品時，就會產生等離子體。
（博科園-圖示）詹娜·新索諾娃(zhanna Samsonova)和丹尼爾·卡塔索夫(Daniil Kartashov)博士正在弗裡德裡希·席勒大學耶拿光學和量子電子學研究所的實驗室裡準備一項關於JETI雷射的實驗。圖片：Jan-Peter Kasper/University Jena然而，它幾乎立刻就像一面鏡子，反射了大部分進入的能量，因此不能完全穿透物質。雷射脈衝的波長越長，問題就越嚴重。為了避免這種鏡像效應，耶拿研究人員使用了矽線製成的樣品。這種線的直徑（幾百納米）比入射光的波長(約4微米)還要小。也是第一個使用如此長波長的雷射來產生等離子體。
光穿透樣品中的電線並從各個方向加熱它們，因此在幾皮秒內，產生的等離子體體積比反射雷射時要大得多。大約70%的能量能夠穿透樣品。此外，由於雷射脈衝較短，受熱材料在膨脹之前存在的時間略長。最後，利用x射線光譜學，研究人員可以檢索有關材料狀態有價值的信息。
溫度和密度的最大值
用該方法，有可能在實驗室中實現溫度和密度的新最大值。例如，等離子體的溫度約為1000萬開爾文，比太陽表面的物質要熱得多。Spielmann還提到了項目中的合作夥伴。在雷射實驗中，耶拿科學家們使用了維也納理工大學的一個設備；樣品來自德國布倫斯威格國家計量研究所；計算機模擬證實了來自達姆施塔特和杜塞道夫同事們的發現。耶拿團隊研究成果是突破性的成功，為等離子體研究提供了一種全新的方法。
等離子體態的理論可以通過實驗和隨後的計算機模擬得到驗證。這將使研究人員更好地理解宇宙過程。此外，科學家們正在為安裝大型儀器進行有價值的準備工作。例如，國際粒子加速器，反質子和離子研究設施(FAIR)，目前正在達姆施塔特建設中，應該在2025年左右投入使用。有了新的資料，將有可能選擇值得仔細探測的具體領域。
博科園｜研究/來自：弗裡德裡希·席勒大學參考期刊《物理評論X》DOI: 10.1103/PhysRevX.9.021029博科園｜科學、科技、科研、科普
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