Khám phá bí mật của plasma

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học British Columbia đã phát triển một kỹ thuật giúp các nhà khoa học tiến thêm một bước quan trọng trong việc khám phá bí mất của dạng vật chất phổ biến nhất trong vũ trụ.

Plasma – hay khí ion hóa – có thể xuất hiện trong những vật bình thường như bóng đèn huỳnh quang, hoặc những hiện tượng như nổ nhiệt hạch. Tầng khí quyển bên ngoài của Trái Đất là plasma, sét và hầu hết các ngôi sao cũng hình thành từ vật chất này.

Trong gần 100 năm, các nhà vật lý học đã tìm cách phát triển lý thuyết toán học để giải thích trạng thái của plasma, tuy nhiên kiến thức chi tiết về thành phần hóa học của plasma và cơ cấu tương tác chính xác của nó vẫn là một câu hỏi lớn. Plasma thông thường nóng, phức tạp và rất khó chiết xuất trong tự nhiên hay trong phòng thí nghiệm.

Gần đây, một số phòng thí nghiệm bắt đầu nghiên cứu một loại plasma mới hết sức đơn giản, điều này hứa hẹn sẽ nâng hiểu biết của chúng ta về plasma lên một tầm cao mới. Những plasma này, gọi là plasma siêu lạnh, được hình thành từ việc cô lập các phân tử, làm lạnh đến xấp xỉ không độ để hình thành những đám ion và electron gần như không dịch chuyển. Với sự kiểm soát này các nhà khoa học có thể nghiên cứu những quá trình cơ bản mà nguyên tử plasma được hình thành và phát triển.

Tầng khí quyển bên ngoài của Trái Đất là plasma, sét và hầu hết các ngôi sao cũng hình thành từ vật chất này. (Ảnh: iStockphoto/Chee Ming Wong)

Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu thuộc UBC đã tìm ra phương pháp để tạo ra plasma siêu lạnh. Bắt đầu với một mẫu khí được làm lạnh bằng tia siêu âm, một nhóm nghiên cứu do Ed Grant, giáo sư và trưởng khoa hóa học chỉ đạo, đã tạo ra một plasma từ nitơ oxit có nhiệt độ ion và electron lạnh như plasma hình thành từ nguyên tử bị cô lập.

Những plasma này tồn tại trong vòng 30 micro giây hoặc thậm chí hơn, không giống như nguyên tử, phân tử ion có thể nhanh chóng tách ra bằng cách kết hợp với electron. Grant cho biết: “Thật đáng kinh ngạc rằng plasma của chúng tôi có tồn tại trong khoảng thời gian dài như vậy. Mật độ phân tử tích điện dày đặc cản trở sự kết hợp giữa ion và electron”.

Kỹ thuật này, được công bốt rên tạp chí Physical Review Letters, không chỉ tạo ra plasma với độ đậm đặc gấp 3 lần plasma hình thành từ nguyên tử bị cô lập, mà còn có mức độ tương quan lớn hơn, yếu tố thể hiện chuyển động tập trung giống như chất lỏng.

Grant cho biết: “Phân tử có ý nghĩa như “chén thánh” trong khoa học siêu lạnh. Kỹ thuật này mở ra cả một lĩnh vực mới cho vật lý”.

Grant cũng cho biết thêm rằng hiểu biết về plasma siêu lạnh ở cấp độ phân tử có thể đem lại những kiến thức mới về hành tinh khí (Sau Mộc, Sao Thổ, Sao Diêm Vương, Sao Hải Vương trong Thái Dương hệ), sao trắng, phản ứng nhiệt hạch và laze tia X.