Bij plasma denk je waarschijnlijk aan een hete, gloeiende, zinderende massa. Dat is het meestal ook. Maar in een lab in Houston hebben onderzoekers een plasma afgekoeld tot 0,05 graad boven het absolute nulpunt (-273,1°C). Superkoud plasma blijkt superinteressant.
Twintig jaar hebben de onderzoekers van Rice University eraan gewerkt. En nu is het gelukt. Ze hebben als eerste ter wereld een lasergekoeld ongeladen plasma gemaakt. Ze kregen het materiaal vijftig keer kouder dan het in de ruimte is.
Hete plasma’s
Plasma is een wolk van elektronen en geïoniseerd atomen. Ionen zijn atomen waar een of meer elektronen vanaf gestript zijn. Plasma is de vierde materietoestand, naast gas, vloeibaar en vast. Het komt voor op extreme plekken. De zon is bijvoorbeeld een bol kokend heet plasma en het binnenste van witte dwergen en Jupiterachtige planeten (gasreuzen) bestaat eruit.
Op aarde wordt plasma van meer dan 100 miljoen graden gemaakt in experimentele kernfusiereactoren om energie op te wekken. Dit plasma is zo heet dat het lastig te onderzoeken is.
Laserkoeling
Het plasma in Houston was veel kouder. Om dit voor elkaar te krijgen begonnen de onderzoekers met het verdampen van strontium. Met twee laserstralen die elkaar kruisen hielden ze een hoeveelheid strontiumgas te grootte van een vingertopje van een kind gevangen. Met een derde laser stuurden ze gepulseerd licht op dit pufje gas af. Dit licht stript van alle atomen een elektron af. Zo verandert het gas in een plasma van geïoniseerde atomen en losse elektronen.
Vervolgens koelen ze het plasma af met lasers. Bij deze koelmethode wordt de snelheid van de deeltjes in het plasma vertraagd. De bewegingsenergie van deeltjes is de temperatuur. Hoe langzamer ze heen en weer schieten, hoe lager de temperatuur. ‘De truc is om laserlicht te gebruiken dat tegengesteld beweegt aan de deeltjes’, zegt Tom Killian, hoogleraar natuur- en sterrenkunde aan de Rice University. Door die tegengesteld bewegende lichtdeeltjes tegen de plasmadeeltjes aan te schieten, bewegen ze steeds langzamer. Daardoor wordt het plasma kouder en kouder. Zo kregen ze het plasma enkele milliseconden lang gekoeld tot 0,05 graad boven het absolute nulpunt.
Fundamentele grenzen
Dit koude plasma blijkt zich bijna precies hetzelfde te gedragen als kernfusieplasma. En het heeft ook overeenkomsten met het plasma in witte dwergen en gasreuzen. Zo komen elektrische krachten in het ijskoude plasma overeen met die in de zinderende plasma’s in gasreuzen en fusiereactoren. Als het lukt om het koude plasma langer dan de paar milliseconde gekoeld te houden, dan kan het gebruikt worden om deze extreme toestanden in het lab te bestuderen.
Meer praktische toepassingen voor het koude plasma zijn er (nog) niet. Het onderzoek is gedreven door nieuwsgierigheid naar fundamentele grenzen. ‘We weten niet wat de praktische toepassingen ervan zijn’, zegt Killian. ‘Maar elke keer dat natuurkundigen iets met laser hebben afgekoeld, opende het een hele wereld aan nieuwe mogelijkheden. Niemand had ooit voorspeld dat het laserkoelen van atomen zou leiden tot ‘s werelds meest nauwkeurige (atoom)klokken.’