Des boucles de plasma en éruption sont visibles au-dessus de la surface du soleil. Le plasma est la forme de matière la plus abondante dans l'univers, et les scientifiques de Rochester trouvent de nouvelles façons d'observer et de créer des plasmas. Crédit :NASA/SDO
La plupart des profanes connaissent les trois états de la matière en tant que solides, liquides, et des gaz. Mais il existe d'autres formes. plasma, par exemple, sont la forme de matière la plus abondante dans l'univers, trouvé dans tout notre système solaire dans le soleil et d'autres corps planétaires. Les scientifiques travaillent toujours pour comprendre les fondements de cet état de la matière, qui s'avère de plus en plus important, non seulement pour expliquer le fonctionnement de l'univers, mais aussi pour exploiter des matériaux pour d'autres formes d'énergie.
Pour la première fois, Des chercheurs du Laboratoire d'énergie laser (LLE) de l'Université de Rochester ont trouvé un moyen de transformer un métal liquide en plasma et d'observer la température à laquelle un liquide dans des conditions de haute densité passe à l'état de plasma. leurs observations, Publié dans Lettres d'examen physique , ont des implications pour une meilleure compréhension des étoiles et des planètes et pourraient aider à la réalisation de la fusion nucléaire contrôlée, une source d'énergie alternative prometteuse dont la réalisation a échappé aux scientifiques pendant des décennies.
Qu'est-ce qu'un plasma ?
Les plasmas sont constitués d'une soupe chaude d'électrons et d'ions en mouvement libre, des atomes qui ont perdu leurs électrons, qui conduisent facilement l'électricité. Bien que les plasmas ne soient pas communs naturellement sur Terre, ils comprennent la majeure partie de la matière dans l'univers observable, comme la surface du soleil. Les scientifiques sont capables de générer des plasmas artificiels ici sur Terre, généralement en chauffant un gaz à des milliers de degrés Fahrenheit, qui dépouille les atomes de leurs électrons. A plus petite échelle, c'est le même processus qui permet aux téléviseurs plasma et enseignes au néon de "briller":l'électricité excite les atomes d'un gaz néon, faisant entrer le néon dans un état plasma et émettre des photons de lumière.
Du liquide au plasma
Comme Mohamed Zaghoo, chercheur associé au LLE, et ses collègues ont observé, cependant, il existe une autre façon de créer un plasma :dans des conditions de haute densité, chauffer un métal liquide à des températures très élevées produira également un plasma dense. "La transition vers ce dernier n'a pas été observée scientifiquement auparavant et c'est précisément ce que nous avons fait, " dit Zaghoo.
Les scientifiques du LLE ont transformé des métaux liquides en plasmas dans des conditions de haute densité. L'augmentation de la densité à des conditions extrêmes a fait entrer le liquide dans un état où il présentait des propriétés quantiques. Le panneau inférieur montre la distribution quantique des électrons dans un métal liquide dense, où seuls deux électrons peuvent partager le même état. Cependant, lorsque la température est augmentée à 0,4. Température de Fermi (environ 90, 000 degrés Fahrenheit), les électrons se réarrangent de manière aléatoire qui ressemble à une soupe chaude de plasma et les électrons perdent leur nature quantique et se comportent de manière classique (panneau supérieur). Crédit :Laboratoire d'énergétique laser / Heather Palmer
L'un des aspects uniques de cette observation est que les métaux liquides à haute densité présentent des propriétés quantiques; cependant, si on les laisse passer à l'état plasma à haute densité, ils présenteront des propriétés classiques. Dans les années 1920, Enrico Fermi et Paul Dirac, deux des fondateurs de la mécanique quantique, introduit la formulation statistique qui décrit le comportement de la matière faite d'électrons, neutrons, et les protons, la matière normale qui compose les objets de la Terre. Fermi et Dirac ont émis l'hypothèse qu'à certaines conditions – densités extrêmement élevées ou températures extrêmement basses – les électrons ou les protons doivent assumer certaines propriétés quantiques qui ne sont pas décrites par la physique classique. Un plasma, cependant, ne suit pas ce paradigme.
Afin d'observer un passage de métal liquide vers un plasma, les chercheurs du LLE sont partis du métal liquide deutérium, qui présentait les propriétés classiques d'un liquide. Pour augmenter la densité du deutérium, ils l'ont refroidi à 21 degrés Kelvin (-422 degrés Fahrenheit). Les chercheurs ont ensuite utilisé les lasers OMEGA du LLE pour déclencher une forte onde de choc à travers le deutérium liquide ultrafroid. L'onde de choc a comprimé le deutérium à des pressions jusqu'à cinq millions de fois supérieures à la pression atmosphérique, tout en augmentant ses températures à près de 180, 000 degrés Fahrenheit. L'échantillon a commencé complètement transparent, mais comme la pression montait, il s'est transformé en un métal brillant à haute réflectivité optique.
"En surveillant la réflectance de l'échantillon en fonction de sa température, nous avons pu observer les conditions précises où ce simple métal liquide brillant s'est transformé en un plasma dense, " dit Zaghoo.
Comprendre la matière dans des conditions extrêmes
Les chercheurs ont observé que le métal liquide présentait initialement les propriétés quantiques des électrons qui seraient attendues à des températures et des densités extrêmes. Cependant, "à environ 90, 000 degrés Fahrenheit, la réflectance du deutérium métallique a commencé à augmenter avec une pente attendue si les électrons du système ne sont plus quantiques mais classiques, " dit Zaghoo. " Cela signifie que le métal était devenu un plasma. "
C'est-à-dire, les chercheurs du LLE sont partis d'un simple liquide. L'augmentation de la densité à des conditions extrêmes a fait entrer le liquide dans un état où il présentait des propriétés quantiques. L'augmentation de la température encore plus l'a transformé en un plasma, à quel point il présentait des propriétés classiques, était encore dans des conditions de haute densité, dit Suxing Hu, scientifique senior au LLE et co-auteur de l'étude. "Ce qui est remarquable, c'est que les conditions dans lesquelles ce croisement entre quantique et classique se produit sont différentes de ce à quoi la plupart des gens s'attendaient sur la base des manuels sur le plasma. De plus, ce comportement pourrait être universel pour tous les autres métaux."
La compréhension de ces principes fondamentaux des liquides et des plasmas permet aux chercheurs de développer de nouveaux modèles pour décrire comment les matériaux à haute densité conduisent l'électricité et la chaleur, et peut aider à expliquer la matière dans les extrêmes du système solaire, ainsi que d'aider à atteindre l'énergie de fusion, dit Zaghoo. "Ce travail n'est pas seulement une curiosité de laboratoire. Les plasmas comprennent les vastes intérieurs de corps astrophysiques comme les naines brunes et représentent également les états de la matière nécessaires pour réaliser la fusion thermonucléaire. Ces modèles sont essentiels pour comprendre comment mieux concevoir des expériences pour réaliser la fusion. ."
