خلق پلاسمای یخی فراکتالی در کلتک؛ حرکتی خلاف جاذبه و کاربردهای فضایی

ماهیت شگفت‌انگیز پلاسما و همزیستی سرد و گرم

پلاسما، حالتی از ماده است که اغلب در کنار سه حالت شناخته‌شده جامد، مایع و گاز نادیده گرفته می‌شود. این حالت زمانی شکل می‌گیرد که یک گاز به‌شدت انرژی بگیرد و الکترون‌های آن از اتم‌های مادر جدا شوند. پلاسما معمولاً با پدیده‌های بسیار داغی چون خورشید، رعد و برق یا جوشکاری قوس الکتریکی تداعی می‌شود، اما شواهد نشان می‌دهد که در برخی شرایط، ذرات فوق‌العاده سرد نیز می‌توانند در کنار پلاسما وجود داشته باشند.

تصاویر ثبت‌شده توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب از ابرهای مولکولی دوردست، نمونه‌ای از چنین همزیستی «گرم-سرد» را به نمایش گذاشته است؛ جایی که غبار یخ‌زده در میان گازهای شوکه‌شده و ستارگان نوظهور می‌درخشند.

بازسازی پلاسماهای یخی در آزمایشگاه کلتک

گروهی از پژوهشگران کلتک موفق شده‌اند چنین سامانه‌ای را در محیط آزمایشگاه بازسازی کنند. آن‌ها پلاسمایی ایجاد کردند که در آن الکترون‌ها و یون‌های دارای بار مثبت میان الکترودهای فوق‌سرد و داخل محیطی عمدتاً خنثی قرار داشتند. با تزریق بخار آب به این محیط، پژوهشگران شاهد شکل‌گیری خودبه‌خودی دانه‌های ریز یخی بودند.

تیم پژوهشی با استفاده از دوربینی مجهز به لنز میکروسکوپی از راه دور، رفتار این دانه‌ها را مورد مطالعه قرار داد و با شگفتی دریافت که دانه‌های یخی تشکیل‌شده بسیار پرپف هستند و به اشکالی فراکتالی رشد می‌کنند؛ این ساختارهای شاخه‌دار و نامنظم، شباهت خود را در مقیاس‌های مختلف حفظ می‌کنند. همین ساختار غیرعادی منجر به بروز فیزیک تازه‌ای شده است.

ساختار پرپف و فیزیک نوین ذرات

پل بلن، استاد فیزیک کاربردی در کلتک، اظهار داشت که پف‌بودن این دانه‌ها پیامدهای مهمی دارد. یکی از مهم‌ترین آن‌ها این است که این ذرات نامنظم، حتی با رشد کردن، جرم بسیار کمتری نسبت به دانه‌های جامد کروی متداول در آزمایش‌های پلاسماهای غباری (معمولاً دانه‌های پلاستیکی) دارند. ساختار یخی جدید کاملاً متفاوت رفتار می‌کند.

بار منفی بالا و حرکت‌های برخلاف انتظار

دانه‌های پف‌دار یخی به‌سرعت دارای بار منفی می‌شوند، زیرا الکترون‌ها در پلاسما بسیار سریع‌تر از یون‌های مثبت حرکت می‌کنند. به دلیل پرپف بودن، نسبت بار به جرم این دانه‌ها بسیار بالا است؛ در نتیجه، نیروهای الکتریکی نقش مهم‌تری نسبت به گرانش ایفا می‌کنند. بلن توضیح می‌دهد که برخلاف آزمایش‌های دیگر که در آن‌ها گرانش باعث فرورفتن دانه‌های جامد به کف محفظه می‌شود، در این سامانه گرانش نقش اصلی را ندارد.

به‌جای آن، دانه‌های یخی در سراسر پلاسما پراکنده شدند و نوعی حرکت پیچیده از خود نشان دادند که به‌نظر خلاف جاذبه می‌رسد؛ این حرکت شامل:

• بالا و پایین رفتن
• چرخش و اسپین
• گردش در گردابه‌ها

این رفتار حتی زمانی ادامه داشت که دانه‌ها به اندازه‌هایی صدها برابر بزرگ‌تر از نمونه‌های پلاستیکی معمول رشد کردند. جالب‌تر اینکه هرچه دانه‌ها بزرگ‌تر می‌شدند، پف‌بودن آن‌ها نیز افزایش می‌یافت.

پیامدهای گسترده در کیهان و صنعت

آندره نیکولوف، نویسنده اصلی این پژوهش و دانشجوی دکترای کلتک، معتقد است که ساختار فراکتالی میکروسکوپی این دانه‌ها بر حرکت کل ابر ذرات و حتی بر خود پلاسما اثر می‌گذارد. این دانه‌ها به دلیل بار منفی یکسان، یکدیگر را دفع کرده و فاصله یکنواختی بینشان ایجاد می‌شود. همچنین، پف‌بودن آن‌ها باعث می‌شود که مانند یک پر در باد، تعامل متفاوتی با گاز خنثی اطراف داشته باشند.

بلن می‌گوید: «این رفتار می‌تواند به درک ما از تعامل دانه‌های یخی باردار در محیط‌های اخترفیزیکی کمک کند؛ مانند حلقه‌های زحل یا ابرهای مولکولی. چون این دانه‌ها سطح بسیار بزرگ و نسبت بار به جرم بالایی دارند، ممکن است واسطه‌هایی برای انتقال تکانه از میدان‌های الکتریکی به گازهای خنثی باشند.»

کاربرد در اخترفیزیک و پدیده‌های کیهانی

این ذرات کوچک و پف‌دار ممکن است در پدیده‌هایی نظیر جریان گاز و غبار در سراسر کهکشان نقش داشته باشند. بلن تشریح می‌کند که می‌توان بادی ایجاد کرد که در آن میدان الکتریکی دانه‌های غبار را هل می‌دهد و دانه‌ها نیز به نوبه خود گاز خنثی را به حرکت درمی‌آورند.

اهمیت برای صنعت نیمه‌رسانا

از سوی دیگر، این یافته‌ها برای صنعت نیمه‌رسانا نیز ارزشمند است. در فرایندهای ساخت تراشه، ذرات غباری که در پلاسمای صنعتی تشکیل می‌شوند، گاهی روی بخش‌های ظریف تراشه نشسته و آن را تخریب می‌کنند. درک بهتر رشد فراکتالی و رفتار منحصربه‌فرد این دانه‌ها می‌تواند به بهبود راهبردهای کنترل و حذف آن‌ها کمک کند.

نیکولوف تأکید می‌کند: «اگر قصد کنترل این دانه‌ها را دارید، باید ساختار فراکتالی‌شان را در نظر بگیرید.»