پلاسماهای یخسرد و داغ: دانههای یخی نرم و باردار الکتریکی، دینامیکهای جدید پلاسما
نویسنده: کیم فِسنمایر، مؤسسه فناوری کالیفرنیا
ویرایش: لیسا لاک، بررسی: رابرت ایگان
یادداشتهای ویراستاران
این مقاله بر اساس فرآیند و سیاستهای ویراستاری Science X مرور شده است. ویراستاران ویژگیهای زیر را برای تضمین اعتبار محتوا برجسته کردهاند:
تأیید صحت
نشر با بازبینی همتا
منبع معتبر
بازخوانی
هنگامی که یک گاز بهشدت انرژی میگیرد، الکترونهای آن از اتمهای منبع جدا میشوند و یک پلاسما — حالت چهارم ماده که اغلب فراموش میشود (بهجز جامد، مایع و گاز) — شکل میگیرد. معمولاً وقتی به پلاسما فکر میکنیم، پدیدههای بسیار گرم مانند خورشید، رعد و برق یا شاید جوشکاری قوسی را تصور میکنیم؛ اما مواردی هم وجود دارد که ذرات سرد و یخی با پلاسما در ارتباط هستند. تصاویر ابرهای مولکولی دوردست از تلسکوپ فضایی جیمز وب، این تعاملات گرم‑سرد را نشان میدهند؛ گرد و غبار منجمد توسط حفرههای گازی تکاندیده و ستارگان نوپیدا روشن میشود.
ساخت پلاسماهای یخسرد در آزمایشگاه
اکنون تیمی از پژوهشگران مؤسسه فناوری کالیفرنیا موفق شد چنین سامانهی پلاسمای یخسردی را در آزمایشگاه بازسازی کند. آنها پلاسماای ساختند که الکترونها و یونهای مثبتبار در بین الکترودهای فوقسرد، در محیطی عمدتاً خنثی از گاز، حضور داشتند؛ بخار آب تزریق شد و سپس مشاهده کردند که دانههای ریز یخی بهصورت خودبهخودی شکل میگیرد.
آنها رفتار دانهها را با استفاده از دوربینی مجهز به لنز میکروسکوپی دوربرد بررسی کردند. تیم شگفتزده شد که تحت این شرایط، دانههای بسیار «پَرپُش» شکل میگیرند و به ساختارهای فرکتالی — اشکال شاخهدار و نامنظم که در مقیاسهای مختلف خودشباهت دارند — رشد میکنند. این ساختار منجر به پدیدههای فیزیکی غیرمنتظره میشود.
دانشمندان کار خود را در مقالهای منتشرشده در Physical Review Letters توصیف کردند. نویسندهٔ اصلی مقاله، دانشجوی دورهٔ کارشناسی ارشد مؤسسه فناوری کالیفرنیا، آندره نیکولوو (سال ۲۰۲۲) میباشد.
«نشان میدهد که پَرپُش بودن دانهها نتایج مهمی دارد»، میگوید پل بِلَن، استاد فیزیک کاربردی در مؤسسه فناوری کالیفرنیا. یکی از این نتایج این است که دانههای نامنظم، حتی با رشدشان، جرم بسیار کمترى نسبت به مثلاً یک دانهٔ کروی جامد دارند. در حقیقت، هنگامی که پژوهشگران دیگر به مطالعهٔ سامانههای «پلاسما غبارآلود» میپردازند، اغلب دانههای کوچک پلاستیکی جامد را به پلاسما تزریق میکنند.
نیکولوو و بِلَن مشاهده کردند که دانههای یخی پَرپُش آنها بهسرعت بار منفی میگیرند، زیرا الکترونهای موجود در پلاسما سرعت بسیار بالاتری نسبت به یونهای مثبتبار دارند. «این دانهها آنقدر پَرپُش هستند که نسبت بار به جرمشان بسیار بالا است؛ بنابراین نیروهای الکتریکی نسبت به گرانشی بسیار مهمتر میشوند»، بِلَن توضیح میدهد. در نتیجه، گرانش — که در سایر آزمایشها غالب است و باعث میشود دانههای جامد به کف محفظهها بیفتند — دیگر عامل اصلی حرکت نیست.
بهجای آن، دانههای یخی پَرپُش در سراسر پلاسما داخل محفظه پخش شدند و حرکتی «پیچیده» که بهنظر میرسید گرانش را فریب میدهد، تجربه کردند. این دانهها بهصورت بالا و پایین رفتن، چرخش و چرخش در گردابها در سراسر پلاسما حرکت میکردند و پیشبینی آن دشوار بود. این وضعیت حتی برای دانههای یخی که به اندازههای نسبتاً بزرگ، صدها برابر بزرگتر از دانههای پلاستیکی جامد قبلی، رشد کردند نیز صادق بود. در واقع، پژوهشگران میگویند که همانطور که دانهها بزرگتر میشوند، پَرپُش بودنشان نیز افزایش مییابد.
پیامدهای فضایی و فناوری
نیکولوو توضیح میدهد که «ساختار میکروسکوپی پَرپُش دانهها بر حرکت کل ابر دانهها و پلاسما تأثیر میگذارد». دانهها تحت تأثیر یک میدان الکتریکی به سمت داخل در پلاسما بهشدت محدود شدهاند و چون همه آنها بار منفی دارند، یکدیگر را دفع میکنند و تمایل دارند بهطور یکنواخت فضا بگیرند و از برخورد جلوگیری کنند. پَرپُش بودن آنها باعث میشود همانند پری در باد با گاز خنثی اطراف تعامل داشته باشد.
بِلَن میگوید این رفتار میتواند به توضیح نحوه تعامل دانههای پَرپُش با بار مشابه در محیطهای نجومی، مانند حلقههای زحل و ابرهای مولکولی، کمک کند. او افزوده است که چون این دانهها مساحت سطح بزرگ و نسبت بار به جرم بالا دارند، میتوانند بهعنوان واسطهای عمل کنند که تکانه را از میدانهای الکتریکی به گاز خنثی اطراف انتقال میدهند.
«میتوانید بادی ایجاد کنید که در آن میدان الکتریکی ذرات غبار را میپوشاند، و سپس این ذرات گاز خنثی را حرکت میدهند»، او میگوید. بنابراین، دانههای ریز و پَرپُش ممکن است مسئول جریان گاز و غبار در سراسر کهکشان باشند.
نتایج میتواند در ساخت نیمههادیها نیز مفید باشد؛ چون غبار بهصورت خودبهخودی در پلاسماهای صنعتی تشکیل میشود و میتواند روی ویژگیهای ریز جزئی تراشههای الکترونیکی رسوب کرده و آنها را غیرقابل استفاده سازد. درک رشد فرکتالی و حرکت دانهها در سامانههای پلاسما میتواند استراتژیهای کنترل یا حذف آنها را بهبود بخشد. «اگر میخواهید دانهها را کنترل کنید، باید این ماهیت فرکتالی را در نظر بگیرید»، نیکولوو میگوید.
اطلاعات بیشتر: اندره نیکولوو و همکاران، «دینامیک دانههای یخی فرکتالی در پلاسماهای کریوژنیک»، Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/rx5l-k7f9
اطلاعات مجله: Physical Review Letters
ارائهشده توسط مؤسسه فناوری کالیفرنیا
استناد: پلاسماهای یخسرد و داغ: دانههای یخی نرم و دارای بار الکتریکی، دینامیکهای جدید پلاسما (2025، 8 دسامبر). دریافتشده در 23 دسامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-12-icy-hot-plasmas-fluffy-electrically.html
این سند تحت حق تکثیر است. به جز موارد استفاده منصفانه برای مطالعه یا پژوهش خصوصی، هیچ بخشی از آن بدون اجازه کتبی بازنشر نخواهد شد. این محتوا صرفاً برای مقاصد اطلاعاتی ارائه شده است.