La maggior parte dei profani ha familiarità con i tre stati della materia come solidi, liquidi, e gas. Ma esistono altre forme. plasma, Per esempio, sono la forma più abbondante di materia nell'universo, trovato in tutto il nostro sistema solare nel sole e in altri corpi planetari. Gli scienziati stanno ancora lavorando per comprendere i fondamenti di questo stato della materia, che si sta rivelando sempre più significativo, non solo nello spiegare come funziona l'universo, ma nello sfruttare il materiale per forme alternative di energia.

Per la prima volta, i ricercatori del Laboratorio per l'energia laser (LLE) dell'Università di Rochester hanno trovato un modo per trasformare un metallo liquido in un plasma e osservare la temperatura alla quale un liquido in condizioni di alta densità passa allo stato di plasma. Le loro osservazioni, pubblicato in Lettere di revisione fisica , hanno implicazioni per una migliore comprensione delle stelle e dei pianeti e potrebbero aiutare nella realizzazione della fusione nucleare controllata, una promettente fonte di energia alternativa la cui realizzazione è sfuggita agli scienziati per decenni.

Che cos'è un plasma?

I plasmi sono costituiti da una zuppa calda di elettroni e ioni in movimento libero, atomi che hanno perso i loro elettroni, che conduce facilmente elettricità. Sebbene i plasmi non siano comuni in natura sulla Terra, comprendono la maggior parte della materia nell'universo osservabile, come la superficie del sole. Gli scienziati sono in grado di generare plasmi artificiali qui sulla Terra, tipicamente riscaldando un gas a migliaia di gradi Fahrenheit, che spoglia gli atomi dei loro elettroni. Su scala minore, questo è lo stesso processo che consente ai televisori al plasma e alle insegne al neon di "brillare":l'elettricità eccita gli atomi di un gas al neon, facendo entrare il neon in uno stato di plasma ed emettendo fotoni di luce.

Da liquido a plasma

Come Mohamed Zaghoo, un ricercatore associato presso l'LLE, e i suoi colleghi hanno osservato, però, c'è un altro modo per creare un plasma:in condizioni di alta densità, il riscaldamento di un metallo liquido a temperature molto elevate produrrà anche un plasma denso. "Il passaggio a quest'ultimo non è stato osservato scientificamente prima ed è esattamente quello che abbiamo fatto, " dice Zago.

Uno degli aspetti unici di questa osservazione è che i metalli liquidi ad alta densità mostrano proprietà quantistiche; però, se sono autorizzati a passare allo stato di plasma ad alta densità, mostreranno proprietà classiche. Negli anni '20, Enrico Fermi e Paul Dirac, due dei fondatori della meccanica quantistica, ha introdotto la formulazione statistica che descrive il comportamento della materia costituita da elettroni, neutroni, e protoni, materia normale che costituisce gli oggetti della Terra. Fermi e Dirac hanno ipotizzato che in determinate condizioni - densità estremamente elevate o temperature estremamente basse - gli elettroni o i protoni devono assumere determinate proprietà quantistiche che non sono descritte dalla fisica classica. un plasma, però, non segue questo paradigma.

Per osservare un metallo liquido che attraversa un plasma, i ricercatori di LLE hanno iniziato con il deuterio di metallo liquido, che mostrava le proprietà classiche di un liquido. Per aumentare la densità del deuterio, l'hanno raffreddato a 21 gradi Kelvin (-422 gradi Fahrenheit). I ricercatori hanno quindi utilizzato i laser OMEGA di LLE per innescare una forte onda d'urto attraverso il deuterio liquido ultrafreddo. L'onda d'urto ha compresso il deuterio a pressioni fino a cinque milioni di volte superiori alla pressione atmosferica, aumentando anche le sue temperature fino a quasi 180, 000 gradi Fahrenheit. Il campione è partito completamente trasparente, ma man mano che la pressione aumentava, si trasformò in un metallo lucido ad alta riflettività ottica.

"Monitorando la riflettanza del campione in funzione della sua temperatura, siamo stati in grado di osservare le condizioni precise in cui questo semplice metallo liquido lucente si è trasformato in un plasma denso, " dice Zago.

Capire la materia in condizioni estreme

I ricercatori hanno osservato che il metallo liquido inizialmente mostrava le proprietà quantistiche degli elettroni che ci si aspetterebbe a temperature e densità estreme. Però, "a circa 90, 000 gradi Fahrenheit, la riflettanza del deuterio metallico ha iniziato a salire con una pendenza che ci si aspetta se gli elettroni nel sistema non sono più quantistici ma classici, " dice Zaghoo. "Questo significa che il metallo era diventato un plasma."

Questo è, i ricercatori LLE hanno iniziato con un semplice liquido. L'aumento della densità a condizioni estreme ha fatto sì che il liquido entrasse in uno stato in cui mostrava proprietà quantistiche. Alzare ulteriormente la temperatura lo ha trasformato in un plasma, a quel punto ha mostrato proprietà classiche, ma era ancora in condizioni di alta densità, dice Suxing Hu, uno scienziato senior presso LLE e coautore dello studio. "Ciò che è notevole è che le condizioni in cui si verifica questo crossover tra quantistico e classico sono diverse da quelle che la maggior parte delle persone si aspettava sulla base dei libri di testo sul plasma. Inoltre, questo comportamento potrebbe essere universale per tutti gli altri metalli."

La comprensione di questi fondamenti di liquidi e plasmi consente ai ricercatori di sviluppare nuovi modelli per descrivere come i materiali ad alta densità conducono elettricità e calore, e può aiutare a spiegare la materia negli estremi del sistema solare, così come aiutare a raggiungere l'energia di fusione, dice Zaghoo. "Questo lavoro non è solo una curiosità di laboratorio. I plasmi comprendono i vasti interni di corpi astrofisici come le nane brune e rappresentano anche gli stati della materia necessari per ottenere la fusione termonucleare. Questi modelli sono essenziali per la nostra comprensione di come progettare meglio gli esperimenti per ottenere la fusione. ."