De meeste leken kennen de drie toestanden van materie als vaste stoffen, vloeistoffen, en gassen. Maar er zijn nog andere vormen. Plasma's, bijvoorbeeld, zijn de meest voorkomende vorm van materie in het universum, gevonden in ons zonnestelsel in de zon en andere planetaire lichamen. Wetenschappers werken nog steeds aan het begrijpen van de fundamenten van deze toestand van materie, die steeds belangrijker wordt, niet alleen om uit te leggen hoe het universum werkt, maar ook om materiaal te gebruiken voor alternatieve vormen van energie.

Voor de eerste keer, onderzoekers van het laboratorium voor laserenergie (LLE) van de Universiteit van Rochester hebben een manier gevonden om een ​​vloeibaar metaal in een plasma te veranderen en om de temperatuur te observeren waarbij een vloeistof onder hoge dichtheid overgaat naar een plasmatoestand. Hun observaties, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , hebben implicaties voor een beter begrip van sterren en planeten en kunnen helpen bij de realisatie van gecontroleerde kernfusie - een veelbelovende alternatieve energiebron waarvan de realisatie wetenschappers al tientallen jaren is ontgaan.

Wat is een plasma?

Plasma's bestaan ​​uit een hete soep van vrij bewegende elektronen en ionen - atomen die hun elektronen hebben verloren - die gemakkelijk elektriciteit geleiden. Hoewel plasma's van nature niet gebruikelijk zijn op aarde, ze omvatten het grootste deel van de materie in het waarneembare heelal, zoals het oppervlak van de zon. Wetenschappers kunnen hier op aarde kunstmatige plasma's maken, meestal door een gas te verhitten tot duizenden graden Fahrenheit, die de atomen van hun elektronen ontdoen. Op kleinere schaal, dit is hetzelfde proces dat plasma-tv's en neonreclames laat "gloeien":elektriciteit wekt de atomen van een neongas op, waardoor neon in een plasmatoestand komt en fotonen van licht uitzendt.

Van een vloeistof naar een plasma

Zoals Mohamed Zaghoo, een onderzoeksmedewerker aan de LLE, en zijn collega's merkten op, echter, er is een andere manier om een ​​plasma te creëren:onder omstandigheden met een hoge dichtheid, het verhitten van een vloeibaar metaal tot zeer hoge temperaturen zal ook een dicht plasma produceren. "De overgang naar het laatste is niet eerder wetenschappelijk waargenomen en is precies wat we deden, ' zegt Zagoo.

Een van de unieke aspecten van deze waarneming is dat vloeibare metalen bij hoge dichtheden kwantumeigenschappen vertonen; echter, als ze bij hoge dichtheden mogen overgaan naar de plasmatoestand, ze zullen klassieke eigenschappen vertonen. In de jaren 1920, Enrico Fermi en Paul Dirac, twee van de grondleggers van de kwantummechanica, introduceerde de statistische formulering die het gedrag beschrijft van materie gemaakt van elektronen, neutronen, en protonen - normale materie waaruit de objecten van de aarde bestaan. Fermi en Dirac veronderstelden dat onder bepaalde omstandigheden - extreem hoge dichtheden of extreem lage temperaturen - elektronen of protonen bepaalde kwantumeigenschappen moeten aannemen die niet worden beschreven door de klassieke fysica. een plasma, echter, volgt dit paradigma niet.

Om een ​​vloeibaar metaal te observeren dat overgaat naar een plasma, de LLE-onderzoekers begonnen met het vloeibare metaal deuterium, die de klassieke eigenschappen van een vloeistof vertoonde. Om de dichtheid van het deuterium te vergroten, ze koelden het af tot 21 graden Kelvin (-422 graden Fahrenheit). De onderzoekers gebruikten vervolgens de OMEGA-lasers van de LLE om een ​​sterke schokgolf te veroorzaken door het ultrakoele vloeibare deuterium. De schokgolf comprimeerde het deuterium tot een druk tot vijf miljoen keer hoger dan de atmosferische druk, terwijl ook de temperaturen worden verhoogd tot bijna 180, 000 graden Fahrenheit. Het monster begon volledig transparant, maar toen de druk toenam, het veranderde in een glanzend metaal met een hoge optische reflectiviteit.

"Door de reflectie van het monster als functie van de temperatuur te volgen, we waren in staat om de precieze omstandigheden te observeren waarin dit eenvoudige glanzende vloeibare metaal veranderde in een dicht plasma, ' zegt Zagoo.

Materie onder extreme omstandigheden begrijpen

De onderzoekers zagen dat het vloeibare metaal aanvankelijk de kwantumeigenschappen van elektronen vertoonde die je zou verwachten bij extreme temperaturen en dichtheden. Echter, "op ongeveer 90, 000 graden Fahrenheit, de reflectie van het metallische deuterium begon te stijgen met een helling die wordt verwacht als de elektronen in het systeem niet langer kwantum maar klassiek zijn, "zegt Zaghoo. "Dit betekent dat het metaal een plasma was geworden."

Dat is, de LLE-onderzoekers begonnen met een eenvoudige vloeistof. Door de dichtheid te verhogen tot extreme omstandigheden, kwam de vloeistof in een staat waarin het kwantumeigenschappen vertoonde. Door de temperatuur nog verder te verhogen veranderde het in een plasma, op welk punt het klassieke eigenschappen vertoonde, maar was nog steeds onder hoge dichtheid, zegt Suxing Hu, een senior wetenschapper bij LLE en een co-auteur van het onderzoek. "Opmerkelijk is dat de omstandigheden waaronder deze cross-over tussen kwantum en klassiek plaatsvindt, anders zijn dan de meeste mensen verwachtten op basis van plasma-leerboeken. Bovendien, dit gedrag zou universeel kunnen zijn voor alle andere metalen."

Door deze basisprincipes van vloeistoffen en plasma's te begrijpen, kunnen onderzoekers nieuwe modellen ontwikkelen om te beschrijven hoe materialen met hoge dichtheden elektriciteit en warmte geleiden, en kan helpen bij het verklaren van materie in de uitersten van het zonnestelsel, evenals hulp bij het verkrijgen van fusie-energie, Zegt Zagoo. "Dit werk is niet alleen een curiositeit in het laboratorium. Plasma's omvatten de enorme interieurs van astrofysische lichamen zoals bruine dwergen en vertegenwoordigen ook de toestanden van materie die nodig zijn om thermonucleaire fusie te bereiken. Deze modellen zijn essentieel voor ons begrip van hoe we experimenten beter kunnen ontwerpen om fusie te bereiken ."