«Ледяная плазма» создаёт пушистые ледяные зерна и открывает неожиданные физические явления

Физикам в лабораторных условиях удалось создать уникальное состояние материи — «ледяную плазму», в которой спонтанно формируются мельчайшие пушистые частицы льда фрактальной формы. Этот эксперимент, проведенный исследователями из Калифорнийского технологического института (Caltech), воспроизводит условия, схожие с теми, что наблюдаются в газопылевых гало вокруг формирующихся звезд, и выявил неожиданные физические процессы. Результаты работы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, могут иметь значение для понимания широкого спектра астрофизических явлений и даже для решения некоторых технологических задач, например, в производстве полупроводников.

Плазма, часто ассоциирующаяся с высокотемпературными явлениями вроде молний или солнечной короны, в данном эксперименте была создана в условиях сверхнизких температур. Ученые поместили заряженные электроны и положительные ионы между ультрахолодными электродами в нейтральной газовой среде, куда затем впрыснули водяной пар. Это привело к образованию ледяных зерен, которые при детальном изучении с помощью микроскопической камеры оказались не компактными сферами, а сложными, похожими на снежинки, фрактальными структурами.

Именно эта «пушистая» текстура определила необычное поведение частиц. Оказалось, что такие фрактальные зерна быстро приобретают сильный отрицательный заряд. Благодаря высокой пористости их соотношение заряда к массе становится огромным, что делает электрические силы, действующие на них в плазме, значительно мощнее гравитации. В результате, вместо того чтобы оседать под действием силы тяжести, как это делают обычные плотные зерна, пушистые частицы демонстрировали сложную коллективную динамику: они хаотично колебались, вращались и рассеивались по всей экспериментальной камере, словно «бросая вызов гравитации».

По словам профессора прикладной физики Пола Беллана, соавтора исследования, это открытие позволяет по-новому взглянуть на поведение ледяной пыли в космосе. Похожие процессы могут происходить в протопланетных дисках, молекулярных облаках или даже в кольцах Сатурна, где электрически заряженные фрактальные зерна, отталкиваясь друг от друга и взаимодействуя с газом, могут участвовать в формировании газопылевых потоков. Кроме того, понимание механизмов роста и движения такой пыли в плазме может помочь в борьбе с вредными примесями при промышленном изготовлении микрочипов, где случайное образование пылевых частиц в плазме часто приводит к браку.