科罗拉多州立大学首次制备电子温度低于1开尔文的超冷中性等离子体

科罗拉多州立大学 (Colorado State University) 研究人员将激光冷却技术与强磁场相结合，首次制备出一种超冷中性等离子体。测量结果显示，该等离子体中的电子温度距离绝对零度不到1开尔文，是目前在等离子体中测得的最低电子温度之一。

相关研究发表于《等离子体物理学》(Physics of Plasmas)。论文提出的新方法有助于在更可控的实验条件下检验等离子体理论，并改进极端环境中等离子体行为的计算模型。研究人员认为，这一成果可为未来聚变能源系统设计以及白矮星等天体物理系统研究提供参考。

等离子体通常被称为物质第四态，占可见宇宙物质的绝大多数。当气体获得足够高的能量后，原子发生电离，形成由自由电子、带正电离子以及部分中性原子组成的体系。等离子体广泛存在于恒星内部，也可通过电能、激光或热能在实验室中产生。

与高温等离子体不同，科罗拉多州立大学团队先将原子冷却到接近绝对零度，再将其转化为等离子体。低温条件显著减缓了带电粒子的运动，使研究人员能够更清晰地测量粒子响应，并将实验结果与现有理论预测进行对比。

罗伯茨(右)与贝克在实验室一起工作。图片来源：科罗拉多州立大学/自然科学学院

论文第一作者、科罗拉多州立大学研究生瑞安·贝克 (Ryan C. Baker) 表示，低温下的等离子体系统变得异常复杂。他说，在极低温条件下，实验制备出的体系同时包含紧密束缚原子、松散束缚原子和自由电子，这些组分会以意料之外的方式相互作用。为从实验数据中提取有效信息，研究团队建立了一套新的、以模拟为驱动的分析方法。

该研究对聚变能源研究具有潜在价值。聚变反应堆需要在地面上重现类似恒星内部的等离子体环境，而这类环境温度极高、结构复杂且稳定性差。如何将等离子体约束足够长时间并维持可控状态，是聚变能源走向实用化面临的关键科学与工程问题之一。

在低温条件下，粒子之间的电场作用相对于粒子热运动更加突出。因此，科罗拉多州立大学团队制备的等离子体可用于研究带电粒子在磁场中的响应。磁场能够限制电子运动，这与聚变等离子体约束以及相关模型构建密切相关。

该研究由科罗拉多州立大学物理系教授雅各布·罗伯茨 (Jacob Roberts) 领导。他表示，构建可用于检验复杂等离子体理论的实验条件并不容易，但相关结果有助于研究人员判断低温等离子体实验的可行边界，也有助于明确聚变能源基础研究中仍需深入探索的问题。

罗伯茨还指出，这些实验见解可用于理解白矮星及宇宙其他极端环境中可能存在的致密等离子体。由于研究人员难以直接前往这些天体环境采集数据，实验室中的可控模拟对于相关理论验证具有重要意义。

论文显示，研究人员可根据实验需要利用磁场进一步降低等离子体温度。实验结果也与此前关于等离子体最低温度极限的理论预测相吻合。罗伯茨表示，几十年来，学界一直在讨论这类等离子体究竟能达到多低温度，而此次工作不仅在实验室中创造出极冷电子环境，也展示了构建一系列极端等离子体条件的新路径。

该论文题为《磁化对低密度超冷中性等离子体中电子加热的影响》，作者包括 Ryan C. Baker 等，发表于《等离子体物理学》。