Forskere gør flydende metal til et plasma

De fleste lægfolk kender de tre materielle tilstande som faste stoffer, væsker, og gasser. Men der er andre former, der findes. Plasma, for eksempel, er den mest udbredte form for stof i universet, findes i hele vores solsystem i solen og andre planetariske kroppe. Forskere arbejder stadig på at forstå det grundlæggende i denne tilstand, som viser sig at blive stadig vigtigere, ikke kun med at forklare, hvordan universet fungerer, men i at udnytte materiale til alternative energiformer.

For første gang, forskere ved University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE) har fundet en måde at omdanne et flydende metal til et plasma og observere temperaturen, hvor en væske under højdensitetsforhold krydser til en plasmatilstand. Deres observationer, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , have konsekvenser for en bedre forståelse af stjerner og planeter og kan hjælpe med at realisere kontrolleret atomfusion - en lovende alternativ energikilde, hvis erkendelse har unddraget forskere i årtier.

Hvad er et plasma?

Plasma består af en varm suppe af frit bevægelige elektroner og ioner - atomer, der har mistet deres elektroner - der let leder elektricitet. Selvom plasma ikke er almindeligt naturligt på Jorden, de omfatter det meste af sagen i det observerbare univers, såsom solens overflade. Forskere er i stand til at generere kunstige plasmaer her på Jorden, typisk ved at opvarme en gas til tusinder af grader Fahrenheit, som fjerner atomerne af deres elektroner. I mindre skala, dette er den samme proces, der tillader plasma -tv og neonskilte at "gløde":elektricitet ophidser atomerne i en neongas, får neon til at gå ind i en plasmatilstand og udsender fotoner af lys.

Fra en væske til et plasma

Som Mohamed Zaghoo, en forskningsassistent ved LLE, og hans kolleger observerede, imidlertid, der er en anden måde at skabe et plasma på:under forhold med høj densitet, opvarmning af et flydende metal til meget høje temperaturer vil også producere et tæt plasma. "Overgangen til sidstnævnte er ikke blevet observeret videnskabeligt før og er præcis, hvad vi gjorde, "Siger Zaghoo.

Et af de unikke aspekter ved denne observation er, at flydende metaller ved høje densiteter udviser kvanteegenskaber; imidlertid, hvis de får lov til at krydse over til plasmatilstanden ved høje densiteter, de vil udvise klassiske egenskaber. I 1920'erne, Enrico Fermi og Paul Dirac, to af grundlæggerne af kvantemekanikken, introducerede den statistiske formulering, der beskriver stofets adfærd, der består af elektroner, neutroner, og protoner - normalt stof, der udgør jordens objekter. Fermi og Dirac antog, at elektroner eller protoner ved visse betingelser - ekstremt høje tætheder eller ekstremt lave temperaturer skal antage bestemte kvanteegenskaber, der ikke er beskrevet af klassisk fysik. Et plasma, imidlertid, følger ikke dette paradigme.

For at observere et flydende metal, der krydser til et plasma, LLE -forskerne startede med det flydende metaldeuterium, som viste en væskes klassiske egenskaber. For at øge tætheden af ​​deuterium, de afkølede det til 21 grader Kelvin (-422 grader Fahrenheit). Forskerne brugte derefter LLEs OMEGA -lasere til at udløse en stærk chokbølge gennem det ultrakølede flydende deuterium. Stødbølgen komprimerede deuterium til tryk op til fem millioner gange større end atmosfærisk tryk, samtidig med at temperaturen øges til næsten 180, 000 grader Fahrenheit. Prøven startede helt gennemsigtig, men da trykket steg, det omdannet til et skinnende metal med høj optisk refleksivitet.

"Ved at overvåge prøvens reflektans som funktion af dens temperatur, vi var i stand til at observere de præcise forhold, hvor dette enkle, glansfulde flydende metal omdannes til et tæt plasma, "Siger Zaghoo.

Forståelse af materie under ekstreme forhold

Forskerne observerede, at det flydende metal oprindeligt udviste de kvanteegenskaber af elektroner, der ville forventes ved ekstreme temperaturer og tætheder. Imidlertid, "omkring 90, 000 grader Fahrenheit, reflektansen af ​​det metalliske deuterium begyndte at stige med en hældning, der forventes, hvis elektronerne i systemet ikke længere er kvante, men klassiske, "Zaghoo siger." Det betyder, at metallet var blevet et plasma. "

Det er, LLE -forskerne startede med en simpel væske. Forøgelse af tætheden til ekstreme forhold fik væsken til at komme ind i en tilstand, hvor den udviste kvanteegenskaber. Ved at hæve temperaturen endnu mere blev det til et plasma, på hvilket tidspunkt den udviste klassiske egenskaber, alligevel var det stadig under betingelser med høj densitet, siger Suxing Hu, en seniorforsker ved LLE og en medforfatter på undersøgelsen. "Det bemærkelsesværdige er, at betingelserne for denne crossover mellem kvante og klassisk sker er forskellig fra, hvad de fleste mennesker forventede baseret på plasmabøger. Ydermere, denne adfærd kan være universel for alle andre metaller. "

Forståelsen af ​​disse grundlæggende væsker og plasmaer gør det muligt for forskere at udvikle nye modeller til at beskrive, hvordan materialer ved høje tætheder leder elektricitet og varme, og kan hjælpe med at forklare materie i yderpunkterne i solsystemet, samt hjælp til at opnå fusionsenergi, Siger Zaghoo. "Dette arbejde er ikke bare en laboratorie -nysgerrighed. Plasmaer omfatter de store interiører i astrofysiske kroppe som brune dværge og repræsenterer også de materielle tilstande, der er nødvendige for at opnå termonuklear fusion. Disse modeller er afgørende for vores forståelse af, hvordan vi bedre kan designe eksperimenter for at opnå fusion. . "