โลกที่เย็นจัดนั้นทำให้นักวิทยาศาสตร์ทึ่งและประหลาดใจมาตั้งแต่ปี 1911 ค้นพบสารตัวนำยิ่งยวดในปรอทที่ 4.2 เคลวิน ตอนนี้นักฟิสิกส์มีอุณหภูมิที่เย็นกว่าหลายล้านเท่าเป็นประจำ เมื่ออะตอมถูกทำให้เย็นลงจนเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ พวกมันก็จะตกอยู่ในสถานะควอนตัมที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้พร้อมกับผลลัพธ์ที่แปลกประหลาด ตัวอย่างเช่น คอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ซึ่งสร้างขึ้นเป็นครั้งแรก
ในปี 1995
เป็นระบบที่อะตอมได้ผ่านวิกฤตเอกลักษณ์ร่วมและตกลงรวมกันเป็นสถานะควอนตัมเดียวกัน ในทางกลับกัน ก๊าซ ถูกขัดขวางจากการยุบตัวนี้โดยหลักการทางกลศาสตร์ควอนตัมพื้นฐาน และกลายเป็นก๊าซที่ไม่สามารถบีบอัดได้ การสร้างและทำความเข้าใจคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์
และก๊าซเฟอร์มีแสดงถึงความก้าวหน้าครั้งสำคัญในฟิสิกส์อะตอมที่เย็นจัดเป็นพิเศษแต่ตอนนี้มีระบบอุลตร้าโคลด์แบบใหม่ที่สมบูรณ์แบบในการสำรวจพลาสมาที่เป็นกลางอุลตร้าโคลด์ ระบบเหล่านี้เชื่อมช่องว่างระหว่างฟิสิกส์ของอะตอมกับฟิสิกส์ของพลาสมา และระหว่างฟิสิกส์ของพลาสมา
พลาสมาคือรูปแบบของสสารที่อะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลางบางส่วนถูกทำให้แตกตัวเป็นไอออนเพื่อสร้างอิเล็กตรอนและไอออนอิสระ ไอออนไนซ์มักเกิดจากการชนกันของพลังงานระหว่างอนุภาค ซึ่งหมายความว่าพลาสมาส่วนใหญ่ เช่น พื้นผิวของดวงอาทิตย์หรือหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ค่อนข้างร้อน
แต่ก็ยังเป็นไปได้ที่จะสร้างพลาสมาแบบเย็นพิเศษโดยใช้เลเซอร์เพื่อดักจับและทำให้อะตอมที่เป็นกลางเย็นลงจนถึงอุณหภูมิ 1 mK หรือต่ำกว่า เลเซอร์อีกตัวจะทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออนโดยให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนวงนอกสุดแต่ละตัวเพื่อให้หลุดพ้นจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้าของไอออนแม่ของมัน
ประเด็นสำคัญเกี่ยวกับ คือการจัดการกับอะตอมด้วยเลเซอร์ พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยสามารถควบคุมได้ เมื่อใช้เลเซอร์พัลซิ่งมาตรฐาน พลังงานอิเล็กตรอนสามารถสร้างให้สอดคล้องกับอุณหภูมิที่ต่ำถึง 0.1 K ซึ่งเป็นขีดจำกัดที่กำหนดโดยแบนด์วิธความถี่ของเลเซอร์พัลส์
อย่างไรก็ตาม
ไอออนจะรักษาอุณหภูมิของอะตอมที่เป็นกลางในระดับมิลลิเคลวิน พลาสมาอุลตร้าโคลด์ที่ไม่สมดุลชนิดนี้มีวิวัฒนาการอย่างรวดเร็ว และคำถามพื้นฐานมากมายเกี่ยวกับพฤติกรรมของมันยังคงไม่ได้รับคำตอบ การทดลองที่ดำเนินการจนถึงตอนนี้ได้เผยให้เห็นไดนามิกและพฤติกรรมการรวมตัวกันใหม่
ที่น่าประหลาดใจ ซึ่งกำลังผลักดันขีดจำกัดความรู้ของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์ของพลาสมา การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของขั้นตอนการทดลองสามารถสร้างระบบที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับพลาสมาอุลตราโคลด์ซึ่งเป็นก๊าซ ที่เย็นและหนาแน่น การปรับความยาวคลื่นเลเซอร์ให้ต่ำกว่าพลังงาน
ไอออไนเซชันเล็กน้อยจะทำให้อะตอมอยู่ในสถานะที่ตื่นเต้นอย่างมาก ซึ่งอิเล็กตรอนวงนอกมีรัศมีกว้าง เมื่อเทียบกับอะตอมในสถานะพื้นดิน อะตอม “ฟล็อปปี้” ขนาดใหญ่เหล่านี้มีคุณสมบัติที่เกินจริง และได้รับอิทธิพลจากสภาพแวดล้อมได้ง่าย ยิ่งอะตอมมีความตื่นเต้นมากเท่าใด
ก็ยิ่งมีความอ่อนไหวต่อสภาพแวดล้อมมากขึ้นเท่านั้น และปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันก็ยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น อะตอม ไม่เคลื่อนที่หรือชนกันเพราะถูกระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ แต่วงโคจรของอิเล็กตรอนของอะตอมที่อยู่ติดกันสามารถซ้อนทับกันได้ สิ่งนี้นำไปสู่สถานะที่แปลกประหลาด
ของระบบที่ทำให้ความแตกต่างระหว่างพลาสมาและกลุ่มของอะตอมที่เป็นกลางพร่ามัวการตรวจสอบและทำความเข้าใจคุณสมบัติของพลาสมาอุลตร้าโคลด์และก๊าซ ต้องใช้เทคนิคการทดลอง ทฤษฎี และการคำนวณร่วมกันจากหลากหลายสาขาย่อยทางฟิสิกส์ การสร้างพลาสมาอุลตราโคลด์
เรื่องราวของพลาสมาอุลตราโคลด์เริ่มขึ้นเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมาที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ในเมืองเกเธอร์สเบิร์ก รัฐแมริแลนด์ เราได้ทำงานกับอะตอมซีนอนที่ละลายด้วยเลเซอร์และสงสัยว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากเราสามารถทำให้ตัวอย่างทั้งหมดแตกตัวเป็นไอออนได้ในทันที
หลายปีก่อน
การทำงานของเรา กลุ่มเลเซอร์ระบายความร้อนที่ NIST ได้ศึกษาการชนกันของอะตอมด้วยความเย็น ซึ่งบางส่วนก่อให้เกิดไอออน การทำงานกับพลาสมาอุลตร้าโคลด์ดูเหมือนจะเป็นส่วนเสริมตามธรรมชาติของสิ่งนี้ แต่แทนที่จะสร้างไอออนจากคนเพียงหยิบมือ สามารถสร้างไอออนได้นับล้านในทันที
เรายังได้รับแรงบันดาลใจจากความพยายามในการสร้างสารต้านไฮโดรเจนที่ CERN วิธีหนึ่งในการสร้างแอนติไฮโดรเจนเริ่มต้นด้วยการจับโพซิตรอนเย็นและแอนติโปรตอนเย็นไว้ในกับดักไฟฟ้าเดียวกัน ในระบบนี้ อาจเป็นไปได้ที่จะใช้เลเซอร์เพื่อกระตุ้นการรวมตัวกันอีกครั้งของโพซิตรอน
และแอนติโปรตรอน เพื่อกระตุ้นการสร้างแอนติไฮโดรเจน เราคิดอย่างไร้เดียงสาว่าการทำให้อะตอมเย็นจัดแตกตัวเป็นไอออนในกับดักของเรา จะทำให้กระบวนการ ดำเนินไปในทางตรงกันข้าม การปรับวิธีการรวมตัวใหม่ด้วยเลเซอร์ให้เหมาะสมด้วยระบบง่ายๆ เช่นของเราอาจช่วยเป็นแนวทางในการทดลอง
ที่คล้ายกันสำหรับแอนติไฮโดรเจน อีกแง่มุมหนึ่งที่น่าสนใจของการทดลอง คือดูเหมือนว่าเราสามารถสร้างระบบที่สภาวะเริ่มต้นอยู่ภายใต้การควบคุมของเราได้อย่างสมบูรณ์ ด้วยการเลือกความหนาแน่นเริ่มต้นและอุณหภูมิของไอออนและอิเล็กตรอน จะสามารถตั้งค่าความแรงของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอม
และไอออนในพลาสมาได้โดยพลการ อะตอมที่เป็นกลางในสถานะพื้นจะชนกันเหมือนลูกบิลเลียด และปฏิสัมพันธ์ของอะตอมจะอ่อนแอมาก โดยเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำ อย่างไรก็ตาม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอม ที่ชนกันนั้นรุนแรงกว่ามาก และสิ่งนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อมีการกระตุ้นเนื่องจากอิเล็กตรอนที่ “โคจร”
