나노기술 및 정책 정보

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독일 함부르크 대학의 광학 양자 기술 센터 연구진은 초단파 레이저 펄스와 초저온 원자 가스를 사용하는 최첨단 기술을 결합하여 완전히 새로운 유형의 플라즈마를 만들었음.

물질은 고체, 기체, 액체 및 플라즈마의 네 가지 상태로 존재하며 플라즈마는 가시적 우주에서 가장 풍부한 상태임. 이온 및 전자와 같은 자유 하전 입자로 구성됨. 플라즈마는 태양의 핵심에서 번개 또는 불꽃에 이르기까지 엄청난 범위의 온도와 밀도에 걸쳐 존재할 수 있음. 플라즈마 역학을 이해하기 위한 과제는 먼저 보편적인 메커니즘을 식별한 다음 이를 통제된 실험과 비교하는 것임.

연구진은 레이저 광으로 원자를 냉각하고 가두었음. 그들은 초단파 레이저 펄스의 강렬한 광장을 사용하여 200 펨토초 이내에 원자를 전자와 이온으로 분해함. 펨토초는 1백만 분의 1초임. 원자의 초기 온도가 극도로 낮기 때문에 이온의 온도는 40 밀리 켈빈보다 낮으며, 이는 우주에서 가능한 가장 낮은 온도(0 켈빈 또는 섭씨 273도)보다 약간 높은 것임. 대조적으로, 전자는 처음에 5,250 켈빈의 온도로 매우 뜨거우며, 이는 태양 표면에서 발견되는 것과 비슷함.

극초 단 레이저 펄스에 의해 직접 생성된 뜨거운 전자는 탈출하기 시작하여 초저온 플라즈마에 전자 일부를 가두는 양전하 영역을 남김. 이러한 플라즈마 상태는 이전에 관찰된 적이 없다고 함.

연구진은 플라즈마에 갇힌 전자가 초고속 시간 단위로 냉각되고 최종 전자 온도를 측정하는 것을 관찰함. 또한 그들은 플라즈마가 수백 나노초에 걸쳐 안정적이라는 것을 관찰했는데, 이는 그러한 시스템에서 매우 긴 시간임.

이러한 초저온 플라즈마는 이론적 모델에 대한 벤치 마크를 제공하며 관성 가둠 융합 또는 백색 왜성과 같은 천체에 존재하는 극한 조건에서 빛을 비출 수 있음. 더욱이 결과로 생성되는 초저온 전자는 생물학적 샘플을 이미징하기 위한 밝은 소스로서 그 자체로도 흥미로움.

본 연구 성과는 Nature Communications ("Ultrafast Electron Cooling in an Expanding Ultracold Plasma")에 게재됨.