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超冷中性等离子体的研究进展


□ 冯志刚 张临杰 李安玲 赵建明 李昌勇 贾锁堂

  摘 要超冷中性等离子体的产生对传统等离子体物理研究具有重要意义.文章介绍了超冷中性等离子体的研究进展,主要包括:超冷中性等离子体产生的物理机制和测量方法,超冷中性等离子体的扩散以及在扩散过程中里德伯原子的形成、电子温度的演化和各种加热冷却机制对扩散过程的影响,并对相关的理论模型作了概述.
  关键词超冷中性等离子体,扩散,里德伯原子,演化
  
  Ultracold neutral plasmas
  FENG Zhi\|GangZHANG Lin\|JieLI An\|LingZHAO Jian\|MingLI Chang\|YongJIA Suo\|Tang
  (State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices,College of Physics and Electronics Engineering,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)
  AbstractThe formation of ultra\|cold neutral plasmas has important significance for studies of traditional plasma physics. This paper describes the physical mechanism of the formation and measurement of ultra\|cold neutral plasmas, and gives a detailed analysis of the plasma expansion, formation of Rydberg atoms, evolution of the electron temperature, and heating or cooling effects of the electrons during expansion. A brief review of current theoretical models is also given.
  Keywordsultra\|cold neutral plasmas, expansion, Rydberg atoms, evolution
  
  1 引言
  
  大家知道,我们把固态加热到一定程度,它就会变成液态,如果继续升高温度,液态就会变成气态,这就是物质的三种状态:固态、液态和气态.如果继续升高温度到几千度以上,原子的外层电子就会脱离原子核的束缚而形成自由电子,发生气体的电离化现象,物理学家把这种电离化的气体就叫做等离子态,即物质第四种状态.
  传统中性等离子体物理研究了非常广泛的温度范围, 从白矮星磁化层的1016K到地球电离层的300K[1].它们是通过粒子之间的碰撞电离形成的,由于一般的碰撞势要求为几个电子伏特,相应的等离子体温度为几千度甚至更高;而低温度的等离子体在激光冷却实现之前是很难得到的.对于低温度的等离子体来说,带电粒子之间的库仑相互作用大于粒子的平均动能,经典等离子体物理的一些基本假设将不再适用,等离子体进入强耦合区域[2].在这种强耦合区域,等离子体表现出多体的空间关联性[3]和相跃迁[4]等奇特的性质.超冷等离子体还具有低温度和低密度的优点,使用光探测[5,6]和带电粒子探测技术[7,8]可以更容易观察和研究它的动力学行为.
  近年来,随着激光冷却技术的出现和不断发展,使得这种超冷中性等离子体的实现成为可能.1999年,美国国家标准与技术研究所的S. L. Rolston小组,首次采用光电离激光冷却原子的方法,得到了电子和离子温度分别低到100mK和10μK,密度高达109cm-3的氙原子的超冷中性等离子体[1].随后,Rice大学的T. C. Killian小组和Brigham Young大学的S. Bergeson小组用同样的方法分别实现了锶原子[5,9]和钙原子[6,10]的超冷中性等离子体.而且美国Virginia大学的T. F. Gallagher小组和法国Aimé Cotton实验室的P. Pillet小组,通过超冷里德伯原子自发演化,分别实现了铷和铯原子的超冷中性等离子体[11].超冷等离子体的实现,为进一步研究低温等离子体的扩散以及扩散过程中超冷里德伯原子的形成[12]、等离子体密度的变化[7,13]、电子温度和正离子速度的演化关系[7,8,14]等丰富的信息提供了平台.超冷等离子体大大拓展了传统等离子体物理研究的范围,使等离子体物理进入了一个新的研究领域,同时激起人们对这一新领域探索的极大热情.本文主要介绍超冷等离子体的产生、扩散以及扩散过程中里德伯原子的形成和电子温度的演化,提出了现有条件下存在的问题,并对相关研究进行了展望.
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