这三种经典的物理状态（固态、液态和气态）在任何普通的厨房里都可以观察到，比如当你把冰块烧开的时候。但是如果你进一步加热物质，使一种物质的原子碰撞，电子与它们分离，那么就会达到另一种状态：等离子体。太空中99%以上的物质都以这种形式存在，比如恒星内部。因此，物理学家热衷于研究这种材料也就不足为奇了。
不幸的是，由于各种原因，利用恒星内部的高温高压在地球上创造和研究等离子体极具挑战性。耶拿弗里德里希席勒大学(Friedrich Schiller University)物理学家们现在已经成功地解决了其中的一些问题，其研究成果发表在著名研究期刊《物理评论X》(Physical Review X)上。
“要以等离子体形成的方式加热材料，需要相应的高能量。通常用大型激光器的光来做这件事，然而，这种光的脉冲必须非常短，因此当达到适当的温度时，这种材料不会立即膨胀，而是在短时间内以高密度等离子体的形式聚集在一起。不过，这种实验设置存在一个问题：当激光束击中样品时，就会产生等离子体。
（博科园-图示）詹娜·新索诺娃(zhanna Samsonova)和丹尼尔·卡塔索夫(Daniil Kartashov)博士正在弗里德里希·席勒大学耶拿光学和量子电子学研究所的实验室里准备一项关于JETI激光的实验。图片：Jan-Peter Kasper/University Jena
然而，它几乎立刻就像一面镜子，反射了大部分进入的能量，因此不能完全穿透物质。激光脉冲的波长越长，问题就越严重。为了避免这种镜像效应，耶拿研究人员使用了硅线制成的样品。这种线的直径（几百纳米）比入射光的波长(约4微米)还要小。也是第一个使用如此长波长的激光来产生等离子体。
光穿透样品中的电线并从各个方向加热它们，因此在几皮秒内，产生的等离子体体积比反射激光时要大得多。大约70%的能量能够穿透样品。此外，由于激光脉冲较短，受热材料在膨胀之前存在的时间略长。最后，利用x射线光谱学，研究人员可以检索有关材料状态有价值的信息。
用该方法，有可能在实验室中实现温度和密度的新最大值。例如，等离子体的温度约为1000万开尔文，比太阳表面的物质要热得多。Spielmann还提到了项目中的合作伙伴。在激光实验中，耶拿科学家们使用了维也纳理工大学的一个设备；样品来自德国布伦斯威格国家计量研究所；计算机模拟证实了来自达姆施塔特和杜塞尔多夫同事们的发现。耶拿团队研究成果是突破性的成功，为等离子体研究提供了一种全新的方法。
等离子体态的理论可以通过实验和随后的计算机模拟得到验证。这将使研究人员更好地理解宇宙过程。此外，科学家们正在为安装大型仪器进行有价值的准备工作。例如，国际粒子加速器，反质子和离子研究设施(FAIR)，目前正在达姆施塔特建设中，应该在2025年左右投入使用。有了新的资料，将有可能选择值得仔细探测的具体领域。
博科园｜研究/来自：弗里德里希·席勒大学
参考期刊《物理评论X》
DOI: 10.1103/PhysRevX.9.021029
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