De flesta lekmän är bekanta med materiens tre tillstånd som fasta ämnen, vätskor, och gaser. Men det finns andra former som finns. Plasma, till exempel, är den vanligaste formen av materia i universum, finns i hela vårt solsystem i solen och andra planetariska kroppar. Forskare arbetar fortfarande med att förstå grunderna i detta tillstånd, som visar sig bli allt viktigare, inte bara för att förklara hur universum fungerar utan för att utnyttja material för alternativa energiformer.

För första gången, forskare vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE) har hittat ett sätt att förvandla en flytande metall till en plasma och att observera temperaturen där en vätska under högdensitetsförhållanden går över till ett plasmatillstånd. Deras observationer, publicerad i Fysiska granskningsbrev , har konsekvenser för bättre förståelse av stjärnor och planeter och kan hjälpa till att förverkliga kontrollerad kärnfusion - en lovande alternativ energikälla vars insikt har undvikit forskare i årtionden.

Vad är ett plasma?

Plasma består av en varm soppa av fritt rörliga elektroner och joner - atomer som tappat sina elektroner - som enkelt leder elektricitet. Även om plasma inte är vanligt naturligt på jorden, de består av det mesta i det observerbara universum, som solens yta. Forskare kan generera konstgjorda plasma här på jorden, vanligtvis genom att värma upp en gas till tusentals grader Fahrenheit, som avlägsnar sina elektroners atomer. I mindre skala, detta är samma process som gör att plasma -TV och neonskyltar kan "lysa":elektricitet upphetsar atomerna i en neongas, orsakar neon att komma in i ett plasmatillstånd och avge fotoner av ljus.

Från en vätska till en plasma

Som Mohamed Zaghoo, en forskningsassistent vid LLE, och hans kollegor observerade, dock, det finns ett annat sätt att skapa plasma:under förhållanden med hög densitet, upphettning av en flytande metall till mycket höga temperaturer kommer också att producera en tät plasma. "Övergången till den senare har inte observerats vetenskapligt tidigare och är precis vad vi gjorde, " säger Zaghoo.

En av de unika aspekterna av denna observation är att flytande metaller vid höga densiteter uppvisar kvantegenskaper; dock, om de tillåts gå över till plasmatillståndet vid höga densiteter, de kommer att uppvisa klassiska egenskaper. På 1920-talet Enrico Fermi och Paul Dirac, två av grundarna till kvantmekanik, introducerade den statistiska formuleringen som beskriver materiens beteende som består av elektroner, neutroner, och protoner - normal materia som utgör jordens föremål. Fermi och Dirac antog att vid vissa förhållanden - extremt höga densiteter eller extremt låga temperaturer - måste elektroner eller protoner anta vissa kvantegenskaper som inte beskrivs av klassisk fysik. En plasma, dock, följer inte detta paradigm.

För att observera en flytande metall som passerar över till ett plasma, LLE -forskarna började med flytande metalldeuterium, som visade de klassiska egenskaperna hos en vätska. För att öka tätheten hos deuterium, de svalnade den till 21 grader Kelvin (-422 grader Fahrenheit). Forskarna använde sedan LLE:s OMEGA -lasrar för att utlösa en kraftig chockvåg genom ultrakyld flytande deuterium. Stötvågan komprimerade deuterium till tryck upp till fem miljoner gånger större än atmosfärstryck, samtidigt som temperaturen ökar till nästan 180, 000 grader Fahrenheit. Provet började helt transparent, men när trycket steg, den förvandlades till en blank metall med hög optisk reflektivitet.

"Genom att övervaka provets reflektans som en funktion av dess temperatur, vi kunde observera de exakta förhållandena där denna enkla glänsande flytande metall förvandlades till en tät plasma, " säger Zaghoo.

Förstå materia vid extrema förhållanden

Forskarna observerade att den flytande metallen initialt uppvisade de kvantegenskaper hos elektroner som skulle förväntas vid extrema temperaturer och densiteter. Dock, "vid ungefär 90, 000 grader Fahrenheit, reflektansen hos metallic deuterium började stiga med en lutning som förväntas om elektronerna i systemet inte längre är kvant utan klassiska, "Säger Zaghoo." Det betyder att metallen hade blivit en plasma. "

Det är, LLE -forskarna började med en enkel vätska. Att öka densiteten till extrema förhållanden fick vätskan att komma in i ett tillstånd där den uppvisade kvantegenskaper. Att höja temperaturen ytterligare fick det att bli till en plasma, vid vilken tidpunkt den uppvisade klassiska egenskaper, men var fortfarande under högdensitetsförhållanden, säger Suxing Hu, en senior forskare vid LLE och en medförfattare till studien. "Det som är anmärkningsvärt är att förhållandena vid vilka denna övergång mellan kvant och klassisk inträffar skiljer sig från vad de flesta förväntade sig baserat på plasmabokböcker. Dessutom, detta beteende kan vara universellt för alla andra metaller."

Genom att förstå dessa grunder för vätskor och plasma kan forskare utveckla nya modeller för att beskriva hur material vid höga densiteter leder elektricitet och värme, och kan hjälpa till att förklara materia i solsystemets ytterligheter, samt hjälp med att uppnå fusionsenergi, Säger Zaghoo. "Detta arbete är inte bara en nyfikenhet i laboratorier. Plasma består av de stora interiörerna i astrofysiska kroppar som bruna dvärgar och representerar också de materiella tillstånd som behövs för att uppnå termonukleär fusion. Dessa modeller är avgörande för vår förståelse av hur man bättre kan utforma experiment för att uppnå fusion. . "