Впервые жидкий металл в условиях высокой плотности, превращают в плазму

Большинство людей знакомы с тремя состояниями материи, а именно: жидкое, твердое и газообразное. Но существуют и другие состояния, например, плазма.

Плазма является наиболее распространенным состоянием материи во вселенной, в нашей солнечной системе её можно встретить на некоторых планетах и солнце. Ученые все еще работают над пониманием основ этого состояния материи, которое становится все более значимым не только для объяснения того, как во Вселенной все устроено, но и для разработки альтернативных форм энергии.

Исследователи из Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Университета Рочестера, нашли способ превращать жидкий металл (в условиях высокой плотности) в плазму и наблюдать температуру, при которой это происходит. Их наблюдения, опубликованные в Physical Review Letters, имеют значение для лучшего понимания звезд и планет, а также могут помочь в реализации управляемого ядерного синтеза — многообещающего альтернативного источника энергии, реализация которого ускользает от ученых на протяжении десятилетий.

Что такое плазма?

Плазма состоит из горячего бульона свободно движущихся электронов и ионов — атомов, которые потеряли свои электроны и которые легко проводят электричество. Хотя плазма не распространена в природе на Земле, она составляет большую часть вещества в наблюдаемой Вселенной, вы можете видеть её, например, на поверхности Солнца. Ученые могут генерировать искусственную плазму здесь на Земле, обычно нагревая газ до тысяч градусов по Фаренгейту, который лишает атомы их электронов. В меньшем масштабе это тот же самый процесс, который позволяет плазменным телевизорам и неоновым вывескам «светиться». Электричество возбуждает атомы неонового газа, заставляя неон переходить в плазменное состояние и излучать фотоны света.

Из жидкости в плазму

Как заметил Мохамед Загу, научный сотрудник LLE, и его коллеги, существует другой способ создания плазмы. В условиях высокой плотности, жидкий металл, нагретый до очень высоких температур также переходит в состояние плотной плазмы.

Данный способ перехода материи из состояния жидкости к плазме ранее научно не наблюдался, и именно это сделали учёные из LLE.

Увеличение плотности до экстремальных значений приводило жидкость в состояние, в котором она проявляла квантовые свойства. Нижняя картинка показывает квантовое распределение электронов в плотном жидком металле, где только два электрона могут находиться в одном и том же состоянии. Однако при повышении температуры до 0,4 TF (приблизительно 90 000 градусов по Фаренгейту) электроны случайным образом перестраиваются, теряют свою квантовую природу и ведут себя классически.
Источник изображения: LLE / Хизер Палмер

Одним из уникальных аспектов этого наблюдения является то, что жидкие металлы при высоких плотностях проявляют квантовые свойства; однако, если им позволят перейти в плазменное состояние при высоких плотностях, они будут демонстрировать классические свойства. В 1920-е годы Энрико Ферми и Пол Дирак, два основателя квантовой механики, представили статистическую формулировку, которая описывает поведение вещества, состоящего из электронов, нейтронов и протонов — нормального вещества, из которого состоят объекты Земли. Ферми и Дирак предположили, что при определенных условиях — чрезвычайно высоких плотностях или чрезвычайно низких температурах — электроны или протоны должны принимать определенные квантовые свойства, которые не описаны классической физикой. Но есть одно, но — плазма, не следует этой парадигме.

Чтобы наблюдать переход жидкого металла в плазму, исследователи LLE начали с жидкометаллического дейтерия, который демонстрирует классические свойства жидкости. Чтобы увеличить плотность дейтерия, они охладили его до -422 градусов по Фаренгейту. Затем использовали лазеры OMEGA, чтобы создать сильную ударную волну в ультрахолодном жидком дейтерии. Ударная волна сжимала дейтерий до давления, в пять миллионов раз превышающего атмосферное, и одновременно увеличивала его температуру почти до 180 000 градусов по Фаренгейту. Образец вначале был полностью прозрачным, но по мере повышения давления он превращался в блестящий металл с высокой оптической отражательной способностью.

«Контролируя коэффициент отражения образца в зависимости от его температуры, мы смогли наблюдать точные условия, когда этот простой блестящий жидкий металл превращался в плотную плазму», — говорит Загу.

Понимание материи в экстремальных условиях

Исследователи заметили, что жидкий металл изначально проявлял квантовые свойства электронов, которые можно было бы ожидать при экстремальных температурах и плотностях. Однако «при температуре около 90 000 градусов по Фаренгейту коэффициент отражения металлического дейтерия начал расти с наклоном, который ожидается, если электроны в системе уже не квантовые, а классические», — говорит Загу. «Это означает, что металл стал плазмой».

То есть исследователи LLE начали с простой жидкости. Увеличение плотности до экстремальных значений приводило жидкость в состояние, в котором она проявляла квантовые свойства. Повышение температуры еще больше привело к тому, что она превратилась в плазму, и в этот момент она продемонстрировала классические свойства, но все еще находилась в условиях высокой плотности, говорит Суксин Ху, старший ученый в LLE и соавтор исследования. «Что примечательно, так это то, что условия, при которых происходит пересечение квантовых и классических свойств, отличаются от тех, что большинство людей ожидали на основе учебников о плазме. Кроме того, такое поведение может быть универсальным для всех других металлов».

Понимание этих основ позволит исследователям разработать новые модели, чтобы описать, как материалы с высокой плотностью проводят электричество и тепло. Кроме того, это позволит объяснить поведение материи в экстремальных условиях солнечной системы и может помочь в достижении энергии термоядерного синтеза.